DE10232311B4 - Forming of ceramic multilayer actuators - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Formierung von monolithischen piezoelektrischen Bauelementen, insbesondere keramischen Multilayeraktoren (MLA), wobei – beim Formieren keine mechanische Vorspannung auf das Bauelement aufgebracht wird, – das Bauelement mittels Federkontaktstiften mittig elektrisch kontaktiert wird, und – das Bauelement mit einem elektrischen Vorbehandlungssignal in Form einer unipolaren, im Stromsignal stetig differenzierbaren Wechselspannung mit Frequenzen zwischen 100 Hz und einer durch die Serienresonanzfrequenz vorgegebene Maximalfrequenz angesteuert wird.A method for forming monolithic piezoelectric components, in particular ceramic multilayer actuators (MLA), wherein - when forming no mechanical bias is applied to the device, - the device is contacted by means of spring contact pins center electrically, and - the device with an electrical pretreatment signal in the form of a unipolar , in the current signal continuously differentiable AC voltage with frequencies between 100 Hz and a predetermined by the series resonance frequency maximum frequency is controlled.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formierung von monolithischen piezoelektrischen Bauelementen, insbesondere keramische Multilayeraktoren (MLA), wobei das Bauelement mit einem elektrischen Vorbehandlungssignal angesteuert wird.The invention relates to a method for the formation of monolithic piezoelectric components, in particular ceramic multilayer actuators (MLA), wherein the component is driven with an electrical pretreatment signal.

Der Betrieb von keramischen Multilayeraktoren (MLA) erfolgt üblicherweise mit Feldstärken von ca. 1,5–3 kV/mm, wobei eine mechanische Vorspannung auf den Aktor ausgeübt wird, um zu verhindern, dass dieser während des Betriebes durch die auftretenden Kräfte beschädigt wird. Die MLA werden üblicherweise im Großsignalbetrieb verwendet. Ein Problem ergibt sich hierbei, dass die Kennwerte im Betrieb nicht entsprechend stabil sind. Insbesondere kann es zu einer Zunahme der ferroelektrischen Aktivität derart kommen, dass sich Dehnung und Kapazität des Bauteils erhöhen. Für einen Betrieb z. B. in Einspritzsystemen einer Brennkraftmaschine ist ein solches Verhalten ungeeignet. Daher wird z. B. in DE 199 46 718 A1 vorgeschlagen, den Aktor nach der Fertigung und vor der eigentlichen Inbetriebnahme unter Vorspannung zu zyklieren bzw. zu formieren, bis bestimmte Kennwerte und ein betriebsstabiler Endzustand erreicht sind. Dies geschieht im wesentlichen unter betriebsbedingungsnahen Verhältnissen. Die Vorspannung ist notwendig, um Schädigungen des Bauteils durch die Auftretenden Beschleunigungskräfte zu vermeiden.The operation of ceramic multilayer actuators (MLA) is usually carried out with field strengths of about 1.5-3 kV / mm, with a mechanical bias is applied to the actuator to prevent it from being damaged during operation by the forces occurring. The MLA are commonly used in large signal operation. A problem arises here that the characteristic values are not correspondingly stable during operation. In particular, there may be an increase in the ferroelectric activity such that the elongation and capacity of the component increase. For an operation z. B. in injection systems of an internal combustion engine, such behavior is unsuitable. Therefore, z. In DE 199 46 718 A1 proposed to cyclise or formulate the actuator after manufacture and before the actual startup under bias until certain characteristics and a stable operational final state are reached. This happens essentially under operating conditions. The bias is necessary to avoid damage to the component by the occurring acceleration forces.

Nachteilig wirkt sich hier jedoch der hohe Zeitbedarf, die Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und die notwendige mechanische Vorspannung aus.The disadvantage here, however, the high time required, the dependence on the operating conditions and the necessary mechanical bias from.

Schädigungen des Aktors treten immer dann auf, wenn dieser unter unzulässig hohe Zugspannungen während des Betriebes gerät. Die Auslenkung des Aktors ist näherungsweise Proportional der im Bauteil gespeicherten Ladung Q. Die Geschwindigkeit ist somit der Stromstärke I (= dQ/dt) und der Beschleunigung dl/dt proportional. Über die bewegte Masse lässt sich damit sofort auf die wirkenden Zugkräfte schliessen. Wird nun durch eine Vorrichtung dafür gesorgt, dass die Änderung des Stromes und damit die resultierende Kraft die Zugfestigkeit des Aktors nicht übersteigt, kann auf eine mechanische Vorspannung verzichtet werden.Damage to the actuator always occurs when it comes under unacceptably high tensile stresses during operation. The deflection of the actuator is approximately proportional to the charge Q stored in the component. The speed is thus proportional to the current intensity I (= dQ / dt) and the acceleration dl / dt. About the moving mass can thus close immediately on the tensile forces acting. If a device ensures that the change in the current and thus the resulting force does not exceed the tensile strength of the actuator, a mechanical pretension can be dispensed with.

Aus der gattungsbildenden DE 199 46 718 A1 ist ein Verfahren zur Formierung von monolithischen piezoelektrischen Bauelementen, insbesondere keramischen Multilayeraktoren bekannt, wobei das Bauelement mit einem elektrischen Vorbehandlungssignal angesteuert wird. Das elektrische Vorbehandlungssignal ist eine unipolare Wechselspannung (Pulsfolge) mit einer Frequenz von z. B. 120 Hz, d. h. einer Frequenz zwischen 100 Hz und einer durch die Serienresonanzfrequenz vorgegebene Maximalfrequenz.From the generic DE 199 46 718 A1 is a method for forming monolithic piezoelectric components, in particular ceramic multilayer actuators known, wherein the device is driven with an electrical pretreatment signal. The electrical pretreatment signal is a unipolar AC voltage (pulse train) with a frequency of z. B. 120 Hz, ie a frequency between 100 Hz and a predetermined by the series resonance frequency maximum frequency.

Aus den DE 197 56 182 A1 und DE 43 44 911 A1 ist die Verwendung einer sinusförmigen Wechselspannung im angegebenen Frequenzbereich zur Formierung von piezoelektrischen Bauelementen bekannt.From the DE 197 56 182 A1 and DE 43 44 911 A1 the use of a sinusoidal AC voltage in the specified frequency range for the formation of piezoelectric components is known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Formierungsverfahren anzugeben, bei dem diese Nachteile beseitigt sind und zugleich mit hoher Effizienz ohne äußere Heizung und Regelung eine Formierung des MLA in einen betriebsstabilen Endzustand möglich ist.The object of the present invention is therefore to provide a forming method in which these disadvantages are eliminated and at the same time with high efficiency without external heating and control a formation of the MLA in a stable operational final state is possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Bauelement wird mit einer unipolaren, im Stromsignal stetig differenzierbaren bevorzugt sinusähnlichen oder sinusförmigen Wechselspannung mit Frequenzen zwischen 100 Hz und einer durch die Serienresonanzfrequenz vorgegebenen Maximalfrequenz angesteuert.According to the invention, this object is solved by the features of claim 1. The device according to the invention is driven with a unipolar, continuously differentiable in the current signal preferably sinusoidal or sinusoidal AC voltage with frequencies between 100 Hz and a predetermined by the series resonance frequency maximum frequency.

Beim Formieren wird erfindungsgemäß keine mechanische Vorspannung auf das Bauelement aufgebracht.When forming according to the invention no mechanical bias is applied to the device.

Zweckmäßigerweise liegt die Frequenz beim Formieren zwischen 500 und 5.000 Hz, bevorzugt zwischen 500 und 2.000 Hz und führt zu einer Eigenerwärmung des Bauelements während des Formierens auf 80 bis 200°C, bevorzugt auf 120 bis 180°C.Expediently, the frequency during forming is between 500 and 5,000 Hz, preferably between 500 and 2,000 Hz, and leads to a self-heating of the component during the forming to 80 to 200 ° C., preferably to 120 to 180 ° C.

Hierbei ist vorteilhafterweise die Formierzeit so gewählt, dass die Zeitdauer, bei der die Temperatur des Bauelements mindestens 120°C beträgt größer als 5 Sekunden ist und bevorzugt zwischen 50 und 100 Sekunden liegt.In this case, advantageously, the forming time is selected such that the time duration at which the temperature of the component is at least 120 ° C. is greater than 5 seconds and preferably between 50 and 100 seconds.

Bevorzugt wird durch äußeres Vorheizen und Betrieb des Bauelements eine Temperatur des Bauelements zwischen 120 und 180°C eingestellt.Preferably, a temperature of the device between 120 and 180 ° C is set by external preheating and operation of the device.

Beim Formieren werden erfindungsgemäß die Bauelemente bevorzugt mittels Federkontaktstiften mittig elektrisch kontaktiert. When forming the components according to the invention preferably contacted by means of spring contact pins centrally electrically.

Sinnvollerweise wird die Amplitude der Spannung zu Beginn des Formierungsvorgangs von null auf die maximale Spannung gesteigert.It makes sense to increase the amplitude of the voltage at the beginning of the forming process from zero to the maximum voltage.

Bevorzugt ist die maximale Spannung größer 10% der Betriebsspannung und kleiner der fünffachen Betriebsspannung, bevorzugt größer 50% der Betriebsspannung und kleiner der dreifachen Betriebsspannung oder liegt zwischen 80% und 200% der Betriebsspannung.Preferably, the maximum voltage is greater than 10% of the operating voltage and less than five times the operating voltage, preferably greater than 50% of the operating voltage and less than three times the operating voltage or is between 80% and 200% of the operating voltage.

Um das Bauelement vor schädlichen Oberwellen zu schützen, wird dieses mittels Tiefpass mit einer Grenzfrequenz die doppelt so hoch ist wie die Frequenz des Formierungssignals bzw. Vorbehandlungssignals geschützt.To protect the device from harmful harmonics, this is protected by a low-pass filter with a cut-off frequency which is twice as high as the frequency of the formation signal or pretreatment signal.

Das Verfahren kann demnach in drei Schritte unterteilt werden:

  • 1. Der MLA wird mit einem im Stromsignal stetig differenzierbaren, bevorzugt sinusförmigen Signal zwischen 0 V und Betriebsspannung beaufschlagt.
  • 2. Es wird ohne mechanische Vorspannung gearbeitet. Die Spannungszuführung erfolgt in der Mitte des MLA.
  • 3. Die Frequenz und Ansteuerdauer wird so gewählt, dass die Oberflächentemperatur mindestens 120°C bevorzugt aber 160°C beträgt.
The method can therefore be divided into three steps:
  • 1. The MLA is supplied with a continuously differentiable in the current signal, preferably sinusoidal signal between 0 V and operating voltage.
  • 2. It works without mechanical bias. The voltage is supplied in the middle of the MLA.
  • 3. The frequency and control duration is selected so that the surface temperature is at least 120 ° C but preferably 160 ° C.

Die einzelnen Punkte werden im folgenden erläutert:

  • 1. Die MLA werden mit einem unipolaren, im Stromsignal stetig differenzierbaren, bevorzugt sinusähnlichen oder sinusförmigen Signal beaufschlagt (siehe 1). Hierdurch ist es möglich, handelsübliche Verstärker zu nutzen. Bei diesem Signal ist darauf zu achten, dass weder im Stromsignal noch im Spannungssignal Spitzen oder Kanten auftreten, die zu höheren harmonischen Anteilen führen. Diese können eine Zerstörung des MLA bzw. Aktors zur Folge haben.
  • 2. Die Ansteuerfrequenz liegt zwischen 100 Hz und einer durch die Grenzfrequenz des MLA bzw. Aktors gegebenen Maximalfrequenz, die sich aus der Serienresonanzfrequenz (siehe 2) ergibt. Als Faustformel kann als Maximalfrequenz die Hälfte der Serienresonanzfrequenz gelten, bevorzugt werden jedoch Frequenzen unterhalb dieser Maximalfrequenz verwendet.
  • 3. Der Aktor 1 (siehe 3) wird mittels Federkontaktstiften 2, 3 (siehe 3) in der Mitte kontaktiert. Hierdurch treten an den Enden des Aktors nur halb so große Zugkräfte auf, wie bei einseitiger Kontaktierung mit Klemmung. Dies führt zu einem schädigungsfreien Verlauf der Formierung.
The individual points are explained below:
  • 1. The MLA are supplied with a unipolar, continuously differentiable in the current signal, preferably sinusoidal or sinusoidal signal (see 1 ). This makes it possible to use commercially available amplifiers. With this signal, care must be taken to ensure that no peaks or edges occur in the current signal or in the voltage signal, which lead to higher harmonic components. These can result in destruction of the MLA or actuator.
  • 2. The drive frequency is between 100 Hz and a given by the cut-off frequency of the MLA or actuator maximum frequency, resulting from the series resonant frequency (see 2 ). As a rule of thumb, the maximum frequency can be half of the series resonant frequency, but preferably frequencies below this maximum frequency are used.
  • 3. The actor 1 (please refer 3 ) is by means of spring contact pins 2 . 3 (please refer 3 ) in the middle. As a result, only half the tensile forces occur at the ends of the actuator, as in one-sided contacting with clamping. This leads to a damage-free course of the formation.

Die Randbedingungen sind:

  • a) ausreichende Eigenerwärmung des Aktors
  • b) kein Überhitzen des Aktors
  • c) Ansteuersignal im Strom und in der Spannung frei von harmonischen Oberwellen und/oder Störimpulsen
  • d) maximale Formierzeiten im Bereich weniger Minuten
The boundary conditions are:
  • a) sufficient self-heating of the actuator
  • b) no overheating of the actuator
  • c) drive signal in the current and in the voltage free of harmonic harmonics and / or glitches
  • d) maximum forming times in the range of a few minutes

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Ein Aktor der Länge 30 mm und mit einem Querschnitt von 7·7 mm2 wird einer Formierung folgendermaßen unterzogen: Der Aktor wird zwischen Federkontakstiften 2, 3 geklemmt und hierdurch kontaktiert. Anschließend wird er 50000 sinusförmigen Ansteuerzyklen mit einer Frequenz von 500 Hz unterzogen (Formierzeit im Beispiel: 100 s). Die Oberflächentemperatur erreicht dabei nach ca. 50 s Temperaturen um 140°C. Die Temperatur bei Beendigung der Behandlung beträgt ca. 160°C. Der Aktor kühlt anschließend auf Raumtemperatur ab und ist danach Einsatzbereit. Im betriebsnahen Dauerlauf (Trapezansteuerung mit 700–800 N Vorspannkraft, 80–120 μs Ansteuerflanken und 1 ms Haltezeit bei einer Wiederholfrequenz von 30 Hz), sind die Änderungen der Kennwerte nach der Formierung << 5%. Bei Vergleich mit einer unbehandelten Kontrollgruppe ergeben sich folgende Werte: Auslenkung/μm vor Formierung Auslenkung/μm nach Formierung Auslenkung/μm nach betriebsnahem Dauerlauf formierte Aktoren 37 44 44 unbehandelte Aktoren 37 - 43 An actuator of length 30 mm and with a cross section of 7 · 7 mm 2 is subjected to a formation as follows: The actuator is placed between spring contact pins 2 . 3 clamped and contacted by this. Subsequently, it is subjected to 50000 sinusoidal drive cycles with a frequency of 500 Hz (forming time in the example: 100 s). The surface temperature reaches temperatures around 140 ° C after approx. 50 s. The temperature at the end of the treatment is about 160 ° C. The actuator then cools to room temperature and is then ready for use. In steady-state continuous operation (trapeze control with 700-800 N bias force, 80-120 μs drive edges and 1 ms hold time at a repetition frequency of 30 Hz), the changes in the characteristic values after forming are << 5%. When compared with an untreated control group, the following values result: Deflection / μm before formation Deflection / μm after formation Deflection / μm after continuous operation formed actuators 37 44 44 untreated actuators 37 - 43

Claims (7)

Verfahren zur Formierung von monolithischen piezoelektrischen Bauelementen, insbesondere keramischen Multilayeraktoren (MLA), wobei – beim Formieren keine mechanische Vorspannung auf das Bauelement aufgebracht wird, – das Bauelement mittels Federkontaktstiften mittig elektrisch kontaktiert wird, und – das Bauelement mit einem elektrischen Vorbehandlungssignal in Form einer unipolaren, im Stromsignal stetig differenzierbaren Wechselspannung mit Frequenzen zwischen 100 Hz und einer durch die Serienresonanzfrequenz vorgegebene Maximalfrequenz angesteuert wird.Process for the formation of monolithic piezoelectric components, in particular ceramic multilayer actuators (MLA), wherein - When forming no mechanical bias is applied to the device, - The device is contacted by means of spring contact pins centrally electrically, and - The device is driven with an electrical pretreatment signal in the form of a unipolar, continuously variable in the current signal alternating voltage with frequencies between 100 Hz and a predetermined by the series resonance frequency maximum frequency. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz beim Formieren zwischen 500 und 5.000 Hz, bevorzugt zwischen 500–2.000 Hz liegt und zu einer Eigenerwärmung des Bauelements während des Formierens auf 80–200°C, bevorzugt auf 120–180°C führt.A method according to claim 1, characterized in that the frequency during forming between 500 and 5000 Hz, preferably between 500-2000 Hz and leads to a self-heating of the device during the forming to 80-200 ° C, preferably to 120-180 ° C. , Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierzeit so gewählt ist, dass die Zeitdauer, bei der die Temperatur des Bauelements mindestens 120°C beträgt größer als 5 Sekunden ist, bevorzugt aber zwischen 50–100 Sekunden liegt.A method according to claim 1, characterized in that the forming time is selected so that the period of time at which the temperature of the device is at least 120 ° C is greater than 5 seconds, but preferably between 50-100 seconds. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch äußeres Vorheizen und Betrieb des Bauelements eine Temperatur zwischen 120–180°C eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a temperature between 120-180 ° C is set by external preheating and operation of the device. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Spannung zu Beginn des Formiervorgangs von null auf die maximale Spannung gesteigert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the amplitude of the voltage at the beginning of the forming process is increased from zero to the maximum voltage. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die maximale Spannung größer 10% der Betriebsspannung und kleiner der fünffachen Betriebsspannung ist, bevorzugt größer 50% der Betriebsspannung und kleiner der dreifachen Betriebsspannung, oder bevorzugt zwischen 80% und 200% der Betriebsspannung liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum voltage is greater than 10% of the operating voltage and less than five times the operating voltage, preferably greater than 50% of the operating voltage and less than three times the operating voltage, or preferably between 80% and 200% of the operating voltage. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement mittels Tiefpass mit einer Grenzfrequenz, die doppelt so hoch wie die Frequenz des Formiersignals ist, vor schädlichen Oberwellen geschützt wird.Apparatus for carrying out the method according to any one of the preceding claims, characterized in that the device is protected by means of low-pass filter with a cut-off frequency which is twice as high as the frequency of the forming signal from harmful harmonics.
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