DE19931927A1 - Manufacture of piezoelectric actuator for fuel injection system in internal combustion engine, by separating piezoceramic multilayers from base material using water jet cutting - Google Patents
Manufacture of piezoelectric actuator for fuel injection system in internal combustion engine, by separating piezoceramic multilayers from base material using water jet cuttingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Piezoaktoren mit einem Vielschichtaufbau von Piezolagen, beispielsweise für einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.The invention relates to a method for producing Piezo actuators with a multilayer structure of piezo layers, for example for a piezo actuator for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
Es ist allgemein bekannt, Piezoaktoren mit Piezoelementen zur Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts herzustellen, die aus einem Material mit einer geeigneten Kristall struktur aufgebaut werden. Der Aufbau dieses Piezoaktors erfolgt hier in mehreren Schichten (Vielschicht- Piezoaktoten), wobei die Elektroden, über die die elek trische Spannung aufgebracht wird, jeweils zwischen den Schichten angeordnet werden. Diese Vielschicht- Piezoaktoren sind aus einem gesinterten Stapel dünner Fo lien aus Piezokeramik (z. B. Bleizirkonattitanat) mit den eingelagerten metallischen Innenelektroden (z. B. AgPd in Siebdrucktechnik) hergestellt. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und werden dort elektrisch kontaktiert.It is generally known to use piezo actuators with piezo elements to make use of the so-called piezo effect, made of a material with a suitable crystal structure. The structure of this piezo actuator takes place here in several layers (multi-layer Piezoaktoten), the electrodes over which the elec trical voltage is applied, in each case between the Layers are arranged. This multi-layer Piezo actuators are made from a sintered stack of thin fo made of piezoceramic (e.g. lead zirconate titanate) with the embedded metallic internal electrodes (e.g. AgPd in Screen printing technology). The internal electrodes are alternately led out of the stack and are electrically contacted there.
Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Ab hängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlageberei che der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in ei ne vorgebbare Richtung darstellt. Durch eine elektrische Aufladung der Piezokeramikstapel dehnen sich diese dabei aus oder ziehen sich zusammen. Der damit verbundene Hub der Piezokeramikstapel kann zum Schalten eines Ventils eingesetzt werden, beispielsweise zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor.When an external electrical voltage is applied a mechanical reaction of the piezo element, which is described in Ab dependence on the crystal structure and the investment surface of the electrical voltage a push or pull in egg represents a definable direction. Through an electrical Charging the piezoceramic stacks will stretch them out or contract. The associated hub the piezoceramic stack can be used to switch a valve are used, for example to control the Fuel metering in an internal combustion engine.
Beim Herstellungsprozess von Vielschicht-Piezoaktoren werden in herkömmlicher Weise zunächst Folien aus Piezo keramik gegossen. Über ein Siebdrucken der metallischen Innenelektroden, Laminieren mehrerer Folien, Pressen und Sintern entstehen dann größere Keramikriegel mit Multila gen aus Piezokeramik, aus denen einzelne Vielschicht- Piezoaktoren herausgetrennt werden. Für sich gesehen ist dabei bekannt, dass bei der Herstellung diese Keramikrie gel mit einer Innenlochsäge in Einzelaktoren zerteilt und mit Schleifmitteln bearbeitet werden. Anschließend er folgt eine Metallisierung zur elektrischen Kontaktierung der Aktoren. Hierzu werden die Vielschicht-Piezoaktoren an den Kontaktseiten mit einer fest haftenden aber flexi blen geschlossenen Grundmetallschicht versehen und über flexible, elektrisch leitende Materialien verbunden. In the manufacturing process of multilayer piezo actuators are made of piezo films in a conventional manner cast ceramic. About screen printing the metallic Internal electrodes, laminating several foils, presses and Sintering then creates larger ceramic bars with Multila made of piezoceramic, from which individual multilayer Piezo actuators are separated. Seen in isolation known that in the manufacture of this ceramic series with an internal hole saw into individual actuators and processed with abrasives. Then he this is followed by metallization for electrical contacting of the actuators. For this purpose, the multilayer piezo actuators on the contact sides with a firmly adhering but flexi blen closed base metal layer and over flexible, electrically conductive materials connected.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors mit einem Vielschichtaufbau von Multilagen aus einer Piezokeramik und mit dazwischen angeordneten Innenelektroden, die wechselseitig seitlich an Außenelektroden kontaktiert sind, wird in vorteilhafter Weise mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 weitergebildet. Erfindungs gemäß werden die einzelnen Multilagen der Piezokeramik durch Abrasiv-Wasserstrahlschneiden aus dem Keramikriegel herausgetrennt.A method for producing a piezo actuator with a Multi-layer structure of multilayers made of a piezoceramic and with internal electrodes arranged between them alternately contacted laterally on external electrodes are in an advantageous manner with the features of Characterized of claim 1 further developed. Invention according to the individual multilayers of the piezoceramic by abrasive water jet cutting from the ceramic bar separated out.
Hierbei ist es auf einfache Weise möglich die einzelnen Multilagen der Piezokeramik aus einem bereits mit den In nenelektroden versehenen und gesinterten Grundmaterial der Piezokeramik herauszutrennen.Here it is possible to easily do the individual Multi-layers of piezoceramic from one with the In sintered base material the piezoceramic.
Gemäß der Erfindung wird somit in vorteilhafter Weise das Herstellungsverfahren für die Vielschicht-Piezoaktoren dadurch wesentlich verbessert, dass die Bearbeitung der gesinterten Vielschicht-Piezokeramik durch Abrasiv- Wasserstrahlschneiden vorgenommen wird. Durch dieses Ver fahren lässt sich diese Piezokeramik leicht trennen, ohne dass es zur Beschädigung und Verschmierung der eingangs beschriebenen empfindlichen, eingelagerten Innenelektro den kommt. Auf das Nachbearbeiten durch Schleifen der Seitenflächen kann verzichtet werden.According to the invention, this is thus advantageous Manufacturing process for the multilayer piezo actuators thereby significantly improved that the processing of the sintered multilayer piezoceramic due to abrasive Water jet cutting is made. By this ver This piezoceramic can be easily separated without driving that it will damage and smear the entrance described sensitive, stored indoor electrical that is coming. On reworking by grinding the Side surfaces can be omitted.
Der zuvor genannte wichtige erfindungsgemäße Herstel lungsschritt des Wasserstrahlschneidens stellt somit eine deutliche Verbesserung und Vereinfachung des gesamten Herstellungsprozesses von Vielschicht-Piezoaktoren dar. Folgeprobleme in der Fertigung der Vielschicht-Piezo aktoren, die durch das klassische Schneiden der Piezoke ramik auftreten, werden hier vermieden. Die Gefahr, dass die Piezoaktoren zu hohe Kriechströme aufweisen oder durch Kurzschlüsse ausfallen, wird deutlich verringert. The aforementioned important manufacture according to the invention The step of water jet cutting thus represents a significant improvement and simplification of the whole Manufacturing process of multilayer piezo actuators. Consequential problems in the production of the multilayer piezo actuators by the classic cutting of the Piezoke occurrence of ceramic are avoided here. The danger that the piezo actuators have excessive leakage currents or failing due to short circuits is significantly reduced.
Darüber hinaus kann auf der Basis der gewonnenen Fort schritte bei der Fertigungsplanung von einer Herstellung von Einzelaktoren auf eine Fertigung von sog. Keramikrie geln ausgedehnt werden. Bei Fertigung in Keramikriegeln kann das Trennen durch Wasserstrahlschneiden immer im letzten Prozeßschritt erfolgen, also erst nach Metalli sierung und elektrischer Kontaktierung. Eine aufwendige Handhabung von Einzelaktoren in der gesamten Prozeßkette der Herstellung könnte somit unterbleiben, da diese einen hohen Ausschuß durch mechanische Beschädigung und chemi sche Einflüsse erwarten lässt.In addition, based on the won fort steps in the manufacturing planning of a manufacturing from individual actuators to the production of so-called ceramic series to be expanded. When manufacturing in ceramic bars can always be separated by water jet cutting last process step, so only after Metalli and electrical contacting. An expensive one Handling of single actuators in the entire process chain the production could thus be omitted, since this one high rejects due to mechanical damage and chemi influences can be expected.
Bei einer besonders bevorzugten Verwendung eines mit ei nem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Vielschicht-Piezoaktors, ist der Viel schicht-Piezoaktor Bestandteil eines Einspritzsystems für Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor. Die so hergestellten Vielschicht-Piezoaktoren können bei spielsweise als schnelle Steller in Kraftstoff-Injektoren für Common Rail, PDE oder andere Benzineinspritzsysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.In a particularly preferred use of an egg Nem method according to one of the preceding claims manufactured multilayer piezo actuator, is the lot Layer piezo actuator part of an injection system for Fuel in a motor vehicle with an internal combustion engine. The multilayer piezo actuators produced in this way can be used for for example as a fast actuator in fuel injectors for common rail, PDE or other gasoline injection systems be used in motor vehicles.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.These and other features of preferred training gene of the invention go out not only from the claims the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß hergestellten Vielschicht-Piezoaktors wird anhand der Figur der Zeich nung erläutert, die einen Schnitt durch einen Mehr schichtaufbau des Piezoaktors zeigt.An embodiment of the manufactured according to the invention Multi-layer piezo actuator is based on the figure of the drawing explained that a section through a more Layer structure of the piezo actuator shows.
In der einzigen Figur ist ein Vielschicht-Piezoaktor 1 gezeigt, der aus Lagen einer Piezofolie 2 aus einem Kera mikmaterial mit einer geeigneten Kristallstruktur aufge baut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Pie zoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 erfolgt.In the single figure, a multi-layer piezo actuator 1 is shown, which is built up from layers of a piezo film 2 made of a ceramic material with a suitable crystal structure, so that a mechanical reaction of the piezo actuator 1 when the external electrical voltage is applied, using the so-called piezo effect he follows.
Aus der Figur ist erkennbar, dass zwischen den Lagen der Piezofolie 2 sich Innenelektroden 3 und 4 befinden, die jeweils wechselseitig aus dem Lagenstapel herausgeführt sind. An den Seitenflächen des Lagenstapels sind die In nenelektroden dann jeweils mit Außenelektroden 5 oder 6 kontaktiert, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel je weils aus einer Nickel (Ni) oder Kupfer(Cu)-Schicht be steht. Die Innenelektroden 3 und 4 können z. B. aus ca. 5 µm dicken Silber-Palladium Schichten gebildet werden und mit ihnen wird das elektrische Feld im Inneren Lagensta pels des Vielschicht-Piezoaktors aufgebaut und verursacht den piezoelektrischen Effekt.It can be seen from the figure that there are internal electrodes 3 and 4 between the layers of the piezo film 2 , which are mutually led out of the layer stack. On the side surfaces of the layer stack, the inner electrodes are then contacted with outer electrodes 5 or 6 , which in the exemplary embodiment shown are each made of a nickel (Ni) or copper (Cu) layer. The inner electrodes 3 and 4 can, for. B. are formed from about 5 microns thick silver-palladium layers and with them the electric field is built up in the interior Lagensta pels of the multilayer piezo actuator and causes the piezoelectric effect.
Die Seiten, an denen die jeweiligen Innenelektroden 3 oder 4 gemeinsam aus der Piezokeramik heraustreten, wer den als L- oder R-Seite bezeichnet. Auf die Flächen die ser Seiten ist bei einem Herstellungsverfahren besonders zu achten, da durch leichte mechanische Beschädigung der Seiten ein Kurzschluß der Innenelektroden 3 oder 4 er zeugt werden kann. So könnten beispielsweise bei einer Verwendung einer Innenlochsäge zum Trennen der Piezokera mik 2 in Einzelaktoren Verschmierungen der Silber- Palladium-Schichten der Innenelektroden 3 oder 4 an den freigelegten L- bzw. R-Seiten auftreten, die zu hohen elektrischen Kriechströmen oder Kurzschlüssen und damit zu Fehlfunktionen des Piezoaktors 1 führen können.The sides on which the respective internal electrodes 3 or 4 emerge together from the piezoceramic, who referred to the L or R side. On the surfaces of these sides, special attention should be paid to a manufacturing process, as a short circuit of the internal electrodes 3 or 4 can be generated by slight mechanical damage to the sides. For example, when using an internal hole saw to separate the Piezokera mik 2 in individual actuators, smearings of the silver-palladium layers of the internal electrodes 3 or 4 could occur on the exposed L or R sides, resulting in high electrical leakage currents or short-circuits and thus Malfunctions of the piezo actuator 1 can result.
Auf den Außenelektroden 5 und 6 befindet sich eine Lot schicht 7 und 8, z. B. aus Weichlot (SnPb), an der sich wiederum die äußeren elektrischen Anschlüsse, beispiels weise den Pluspol 9 (P-Seite) und den Minuspol 10 (N- Seite), der Piezokeramik befinden.On the outer electrodes 5 and 6 there is a solder layer 7 and 8 , z. B. from soft solder (SnPb), on which in turn the external electrical connections, for example, the positive pole 9 (P side) and the negative pole 10 (N side), the piezoceramic.
Durch ein erfindungsgemäßes Abrasiv-Wasserstrahlschneiden der Piezokeramik 2 in die Einzellagen, bzw. Einzelaktoren können hingegen saubere Schnittflächen der Piezokeramik 2 erzeugt werden, die keine verschmierten Bereich der In nenelektroden 3 und 4 aufweisen und damit sind die er wähnten Nachteile anderer Herstellungsverfahren vermeid bar.By an inventive abrasive water jet cutting of the piezoelectric ceramic 2 in the individual layers, or individual actuators, however, can clean cut surfaces of the piezoelectric ceramic 2 are generated, which do not have smeared area of the In nenelektroden 3 and 4 and are therefore he mentioned disadvantages of other manufacturing processes avoid the bar.
Bei einer Fertigung in sogenannten Keramikriegeln für den Piezoaktor 1 kann das Trennen der Piezokeramik 2 durch Wasserstrahlschneiden im letzten Prozeßschritt erfolgen, also erst nach Metallisierung zur Erzeugung der Innene lektroden 3 und 4. Eine aufwendige Handhabung von Ein zelaktoren in der gesamten Prozeßkette der Herstellung könnte somit unterbleiben, da diese einen hohen Ausschuß durch mechanische Beschädigung und chemische Einflüsse erwarten läßt. Durch eine Variation des Abrasivtyps (kleinere Körnung) beim Wasserstrahlschneiden lässt sich die Schnittqualität noch weiter verbessern. Das Verfahren eignet sich auch insbesondere zum Heraustrennen von Ein zelaktoren aus bereits gesinterten Keramikriegeln.In a production in so-called ceramic bars for the piezo actuator 1 , the piezoceramic 2 can be separated by water jet cutting in the last process step, that is to say only after metallization to produce the internal electrodes 3 and 4 . A complex handling of a zelaktoren in the entire process chain of manufacture could thus be omitted, since this can expect a high reject due to mechanical damage and chemical influences. The quality of the cut can be further improved by varying the type of abrasive (smaller grain size) in water jet cutting. The method is also particularly suitable for separating out individual actuators from sintered ceramic bars.
Claims (4)
- - die einzelnen Multilagen der Piezokeramik (4) durch Abrasiv-Wasserstrahlschneiden aus dem Grundmaterial der Piezokeramik (2) herausgetrennt werden.
- - The individual multilayers of the piezoceramic ( 4 ) are separated from the base material of the piezoceramic ( 2 ) by abrasive water jet cutting.
- - die einzelnen Multilagen der Piezokeramik (4) aus ei nem mit den Innenelektroden (3, 4) versehenen und gesinterten Grundmaterial der Piezokeramik (2) heraus getrennt werden.
- - The individual multilayers of the piezoceramic ( 4 ) from egg nem with the internal electrodes ( 3 , 4 ) provided and sintered basic material of the piezoceramic ( 2 ) are separated out.
- - die einzelnen Multilagen der Piezokeramik (4) als Ke ramikriegel gefertigt werden.
- - The individual multilayers of the piezoceramic ( 4 ) are manufactured as ceramic bars.
- - der Vielschicht-Piezoaktor (1) Bestandteil eines Ein spritzsystems für Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor ist.
- - The multi-layer piezo actuator ( 1 ) is part of an injection system for fuel in a motor vehicle with an internal combustion engine.
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