EP3465789A2 - Verfahren zur herstellung einer vielzahl von piezoelektrischen vielschichtbauelementen - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer vielzahl von piezoelektrischen vielschichtbauelementen

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EP3465789A2
EP3465789A2 EP17728135.9A EP17728135A EP3465789A2 EP 3465789 A2 EP3465789 A2 EP 3465789A2 EP 17728135 A EP17728135 A EP 17728135A EP 3465789 A2 EP3465789 A2 EP 3465789A2
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EP
European Patent Office
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piezoelectric
components
piezoelectric multilayer
multilayer components
multilayer
Prior art date
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Pending
Application number
EP17728135.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Doellgast
Markus Puff
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a method for
  • Multilayer devices may be, for example, piezoelectric transformers suitable for producing a non-thermal atmospheric pressure plasma.
  • the devices may be subjected to a process in which disordered loose grain devices are ground as an abrasive to achieve a smooth surface of the piezoelectric multilayer devices.
  • the object of the present invention is now to provide an improved method for producing a plurality of piezoelectric multilayer components. This object is achieved by a method according to the present invention
  • Claim 1 solved. It is proposed a method for producing a plurality of piezoelectric multilayer devices, wherein the piezoelectric multilayer devices are ground without the addition of an abrasive, wherein a material abrasion of the piezoelectric
  • the material abrasion can be done only by rubbing the piezoelectric multilayer components together.
  • the method thus uses no abrasive.
  • abrasive may be understood here to mean any abrasive that can be used to achieve a removal of material, an abrasive which is typically a fine-grained, hard and sharp-edged substance
  • abrasives are, for example, sand or ZrO.sub.2 through the
  • Waiver of any abrasive It has been shown that by rubbing the multilayer components together significantly smoother surfaces can be achieved than is possible with abrasives.
  • Abrasives for example sand with a grain size between 0.1 and 0.5 mm, cause severe scoring in the surface of the multilayer components in the scrubbing process. This can lead to local unevenness in the surface. These can be too local when using the multilayer components for plasma generation
  • Component can come.
  • the local field peak can be avoided by local peaks in the roughness of the surface. Also in the area of the edges of the
  • Multilayer device can be a smooth, rounded
  • Completion of the grinding process on the step of separation of the multilayer components of the abrasive can be dispensed with. This step may be very
  • Abrasive can thus manufacture with less
  • the material can be used in the process both by the same
  • the outer surfaces may be four side surfaces whose surface normal in each case perpendicular to a longitudinal axis of the
  • Multi-layer components is, and two end faces whose surface normal is parallel to the longitudinal axis, respectively. Two adjacent external surfaces can do this always perpendicular to each other. In this case, two adjacent outer surfaces adjoin one edge in each case.
  • the piezoelectric multilayer component can in
  • the method is also suitable for differently shaped multilayer components
  • the outer surfaces can be smoother, d. H. the roughness of the
  • External surfaces may decrease as a result of material abrasion.
  • the edges can be rounded. Accordingly, by the method, a formerly sharp edge can be formed into a rounded edge, wherein the
  • piezoelectric transformers have the advantage over sharp edges that there is no local field increase at a rounded edge. Accordingly, it may not be undesirable on a rounded edge
  • Multilayer devices are present in a loose state.
  • the components may be arranged in a loose state in a drum.
  • a loose state can be called a state in which the Multilayer devices are not mechanically connected to each other.
  • Multi-layer devices should serve to remove a surface of the piezoelectric multilayer devices themselves. The intention is not to free the surface of the piezoelectric multilayer components from contamination. In the manufacturing process there is usually no contamination on the surface that would have to be removed.
  • the piezoelectric multilayer components can be used as a laminated layer of the piezoelectric multilayer components.
  • a green body is an unfired blank.
  • a green body is a body in the green state, that is, a ceramic body before performing a burning or
  • Multi-layer devices are removed in a simple manner, since the hardness of the multilayer components is significantly lower before sintering than after performing a
  • a green body has a hardness which is significantly lower than the hardness of a typical hard bulk material, such as a screw, a nail or a steel spring.
  • Green body is softer and more elastic than such
  • the green body often contains an organic binder needed for the previous molding.
  • the organic binder typically has plasticizers. These can be removed by a temperature treatment, wherein the device is harder.
  • a tempering process can be performed before the grinding of the piezoelectric components.
  • the piezoelectric device may be exposed to elevated temperatures of 100 ° C to 150 ° C.
  • the plasticizers of the organic binder can be at least partially removed. By removing the plasticizer, the hardness of the
  • the hardness of the device can be adjusted as desired.
  • the tempering process may allow the hardness of the piezoelectric components to be adjusted such that they are not undesirably deformed during the grinding.
  • the temperature selected during the annealing process depends on the plasticizer used.
  • the tempering process can be carried out under reduced pressure.
  • the tempering process can serve to evaporate solvents and / or plasticizers from an organic binder and thus from the piezoelectric multilayer component.
  • the multilayer components are hardened by the annealing process.
  • the binder or a polymer of the binder is not decomposed.
  • the binder is not expelled in gaseous form from a ceramic of the piezoelectric multilayer component.
  • the annealing process is not debinding.
  • the temperature range of 100 ° C to 150 ° C, which occurs during the annealing process, is not sufficient for debindering.
  • the polymer is during the
  • the component can be hardened by the at least partial removal of the solvent and / or the plasticizer, but it remains a green compact.
  • the step of debinding can only after the step of grinding without the addition of abrasive
  • a hardness of the piezoelectric multilayer component can be increased during the annealing process.
  • Plasticizer of an organic binder are at least partially removed from the piezoelectric multilayer component.
  • the piezoelectric multilayer components can be exposed to temperatures of 100 ° C to 150 ° C during the annealing process.
  • the components can optionally be dried.
  • thermal processes are carried out, for example
  • the grinding can be carried out in a drum equipped with a variety of piezoelectric
  • Multilayer components is loaded, the material abrasion by adjusting at least one of running time of
  • Rotation speed of the drum is set in the desired manner.
  • the three parameters mentioned here are the three parameters mentioned here.
  • the rotational speed of the drum that is the
  • the speed with which the drum rotates also influences the material abrasion of the multilayer components.
  • Material abrasion depends on the geometry and the size as well as the exact structure of the multilayer components.
  • Rotation speed should be chosen so that the highest possible material abrasion per second is achieved, in order to increase the duration of the grinding process
  • the number of piezoelectric multilayer components in the drum should also be set to an optimum value for material abrasion. Be too many per unit volume
  • Multi-layer devices loaded into the drum so the multilayer devices can wedge each other and it Hardly comes to a rubbing of the components together. As a result, the material abrasion is greatly inhibited. Even if too few multilayer components are loaded into the drum, only a few rubbing processes of the components occur
  • the multilayer components may be surrounded by the medium of water in the grinding. Water does not act as an abrasive because the water does not cause any material abrasion from the surface of the multilayer components.
  • the abraded material may be deposited as dust on the surfaces of the
  • the water can also serve to influence a surface tension.
  • soap may be added to the water.
  • the piezoelectric multilayer components may be piezoelectric transformers.
  • these may be transformers suitable for use in a plasma generator for producing non-thermal atmospheric pressure plasma.
  • a plasma generator for producing non-thermal atmospheric pressure plasma.
  • it is particularly important to achieve a smooth, rounded surface, since otherwise by local field peaks plasma ignitions in
  • Component could be damaged.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a
  • FIG. 2 shows a detail of a
  • FIG. 3 shows a detail of a comparative example of a multilayer component which was produced using the scrubber Zr0 2 .
  • FIG. 4 shows a further detail of a
  • Comparative example of a multilayer component which was manufactured using a scouring agent.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a
  • Piezoelectric multilayer component 1 is a piezoelectric transformer.
  • the piezoelectric transformer can be used in particular in a device for generating non-atmospheric atmospheric pressure plasma.
  • a piezoelectric transformer is a type of resonant transformer based on piezoelectricity and unlike the conventional magnetic ones
  • the piezoelectric transformer is, for example, a
  • the piezoelectric multilayer component 1 has a
  • the piezoelectric multilayer component 1 has electrodes 4, to which an alternating voltage can be applied.
  • Electrodes 4 extend in the longitudinal direction z of the piezoelectric multilayer component 1
  • Electrodes 4 are stacked alternately with a piezoelectric material 5 in a stacking direction x which is perpendicular to the longitudinal direction z.
  • the piezoelectric material 5 is polarized in the stacking direction x.
  • a y-direction y is perpendicular to the respective
  • the electrodes 4 are inside the piezoelectric
  • Multilayer component 1 is arranged and also called
  • the piezoelectric Multilayer component 1 has a first side surface 6 and a second side surface 7, which lies opposite the first side surface 6. On the first side surface 6, a first outer electrode 8 is arranged. On the second
  • a second outer electrode (not shown) is arranged.
  • the internal electrodes 4 are in
  • the piezoelectric multilayer component 1 has a third side surface 20 and a fourth side surface 21 facing each other and perpendicular to the first side surface 6 and the second side surface 7
  • the surface normals of the third and fourth side surfaces 20, 21 each point in the stacking direction x.
  • the input region 2 can be driven with a low alternating voltage, which is applied between the electrodes 4. Due to the piezoelectric effect, the
  • the input side applied AC voltage is first converted into a mechanical vibration.
  • the output region 3 comprises piezoelectric material 9 and is free of internal electrodes.
  • Piezoelectric material 9 in the output region is polarized in the longitudinal direction z.
  • Piezoelectric material 9 of the output region 3 may be the same material as the piezoelectric material Material 5 of the input area 2 act, with the piezoelectric materials 5 and 9 in their
  • the piezoelectric material 9 is formed into a single monolithic layer
  • Output area 3 only a single polarization direction.
  • the exit area 3 has an exit-side end face 10.
  • an electrical voltage is thus generated between the end face 10 and the end of the electrodes 4 of the input region 2.
  • a high voltage is generated. It also arises between the output side face and an environment of
  • Multilayer Device 1 high electric fields capable of ionizing gases or liquids by electrical excitation.
  • Ignition field strength of the plasma exceeds.
  • ignition field strength of a plasma is the field strength that is required for the ionization of the atoms or molecules.
  • the piezoelectric multilayer component 1 further has an input-side end face 22, which is the
  • Output side end face 10 is opposite. Furthermore, the piezoelectric multilayer component 1 has edges 23. The edges 23 may be rounded. The piezoelectric multilayer component 1 is subjected during its manufacture to a grinding process in which no abrasive is used and in which
  • Multilayer component 1 by rubbing the
  • piezoelectric multilayer component 1 takes place on further piezoelectric multilayer components.
  • Figure 2 shows a detailed view of a section of a piezoelectric multilayer component 1, which was manufactured by the method described here, wherein a
  • the multilayer components are arranged in a loose state in a drum.
  • FIG. 3 shows a detail of a comparative example of a multilayer component which has been subjected to a scrubbing process using ZrÜ 2 as an abrasive.
  • Abandoning an abrasive material from the Side surfaces and edges of the multilayer components m can be removed in a way that less rough
  • FIG. 4 shows a detailed view of a comparative example of a multilayer piezoelectric component which has been ground without the prior use of an annealing process and with the use of an abrasive substance which has abrasive grains.
  • FIG. 4 shows that an abrasive grain 24 is in the piezoelectric process during the grinding process
  • Multilayer component was pressed and remained in this after the grinding process.
  • the abrasive grain 24 has a negative effect in the multilayer component 1. It leads
  • Multi-layer components to be ground together with ceramic cones and without the addition of an abrasive.
  • a smoothness of the surfaces can be achieved, the is comparable to the result of the material abrasion by rubbing the piezoelectric multilayer components 1 together.
  • an additional step for the separation of the piezoelectric multilayer components and the ceramic cone after grinding is still required.
  • Multi-layer components 1 are rounded in the desired manner.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1), wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) ohne den Zusatz eines Schleifmittels geschliffen werden, wobei ein Materialabrieb von den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1) durch das Reiben der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) aneinander erfolgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von
piezoelektrischen Vielschichtbauelementen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen
Vielschichtbauelementen. Bei den piezoelektrischen
Vielschichtbauelementen kann es sich beispielsweise um piezoelektrische Transformatoren handeln, die zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas geeignet sind .
Bei der Herstellung von piezoelektrischen
Vielschichtbauelementen können die Bauelemente einem Prozess unterzogen werden, bei dem ungeordnete Bauelemente mit losem Korn als Schleifmittel geschliffen werden, um eine glatte Oberfläche der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente zu erzielen .
Nachteile dieses Prozesses bestehen darin, dass die auf diese Weise gefertigten Bauelemente eine Oberfläche aufweisen, die den Anforderungen an die Glattheit oftmals nicht genügt.
Ferner kann die Separierung des Schleifmittels von den
Bauelementen sehr aufwendig sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem vorliegenden
Anspruch 1 gelöst. Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen vorgeschlagen, wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente ohne den Zusatz eines Schleifmittels geschliffen werden, wobei ein Materialabrieb von den piezoelektrischen
Vielschichtbauelementen durch das Reiben der
piezoelektrischen Vielschichtbauelemente aneinander erfolgt.
Insbesondere kann der Materialabrieb nur durch das Reiben der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente aneinander erfolgen. Bei dem Verfahren wird somit kein Schleifmittel verwendet.
Unter einem „Schleifmittel" kann hier jeder Abrasivstoff verstanden werden, der zur Erzielung eines Materialabtrages genutzt werden kann. Bei einem Schleifmittel handelt es sich typischerweise um eine feinkörnige, harte und scharfkantige Substanz. Bekannte Schleifmittel sind beispielsweise Sand oder ZrÜ2. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch den
Verzicht auf jegliche Schleifmittel aus. Es hat sich gezeigt, dass durch das Reiben der Vielschichtbauelemente aneinander deutlich glattere Oberflächen erreicht werden können als dies mit Schleifmitteln möglich ist. Schleifmittel, beispielsweise Sand mit einer Körnung zwischen 0,1 und 0,5 mm, verursachen bei dem Scheuerprozess starke Riefen in der Oberfläche der Vielschichtbauelemente. Damit kann es zu lokale Unebenheiten in der Oberfläche kommen. Diese können bei der Verwendung der Vielschichtbauelemente zur Plasmaerzeugung zu lokalen
Feldüberhöhungen führen, wodurch es zu lokalen Zündungen von Plasma an unerwünschten Stellen der Vielschichtbauelemente kommen kann. Dadurch wird zum einen der Wirkungsgrad
verringert und zum anderen das Bauelement unter Umständen beschädigt, sodass es zu einem frühzeitigen Ausfall des
Bauelements kommen kann.
Der Verzicht auf ein Schleifmittel ermöglicht es dagegen, eine glatte, abgerundete Oberfläche der
Vielschichtbauelemente zu gewährleisten. Dementsprechend weist die Oberfläche eines mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren gefertigten piezoelektrischen
Vielschichtbauelements keine wesentlichen lokalen
Unebenheiten auf. Daher kann die lokale Feldüberhöhung durch lokale Spitzen in der Rauheit der Oberfläche vermieden werden. Auch im Bereich der Kanten des
Vielschichtbauelementes kann eine glatte, abgerundete
Oberfläche sichergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens, bei dem kein
Schleifmittel verwendet wird, besteht darin, dass nach
Abschluss des SchleifVorgangs auf dem Schritt der Trennung der Vielschichtbauelemente von dem Schleifmittel verzichtet werden kann. Dieser Schritt ist unter Umständen sehr
aufwändig. Durch den Verzicht auf ein zusätzliches
Schleifmittel kann die Herstellung somit mit weniger
Verfahrensschritten durchgeführt werden. Daher ist das
Herstellungsverfahren kostengünstig und schnell durchführbar.
Das Material kann bei dem Verfahren sowohl von den
Außenflächen als auch von den Kanten der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente abgerieben werden. Die Außenflächen können vier Seitenflächen, deren Flächennormale jeweils senkrecht auf einer longitudinalen Achse der
Vielschichtbauelemente steht, und zwei Stirnflächen, deren Flächennormale jeweils parallel zu der longitudinalen Achse ist, aufweisen. Zwei benachbarte Außenflächen können dabei stets senkrecht aufeinander stehen. Dabei grenzen zwei benachbarte Außenflächen jeweils an eine Kante an.
Das piezoelektrische Vielschichtbauelement kann im
Wesentlichen quaderförmig sein. Das Verfahren ist jedoch auch für anders geformte Vielschichtbauelemente geeignet,
beispielsweise für zylinderförmige Bauelemente.
Durch den Materialabrieb von den Außenflächen können die Außenflächen glatter werden, d. h. die Rauheit der der
Außenflächen kann in Folge des Materialabriebs abnehmen.
Durch den Materialabrieb von den Kanten der
Vielschichtbauelemente können die Kanten abgerundet werden. Dementsprechend kann durch das Verfahren eine vormals spitze Kante zu einer gerundeten Kante umgeformt werden, wobei der
Radius der gerundeten Kante umso größer ist, je mehr Material abgetragen wurde. Gerundete Kanten weisen bei
piezoelektrischen Transformatoren den Vorteil gegenüber spitzen Kanten auf, dass es an einer gerundeten Kante nicht zu einer lokalen Felderhöhung kommt. Dementsprechend kann es an einer gerundeten Kante nicht zu einer unerwünschten
Plasmazündung kommen.
Das hier beschriebene Verfahren ist zur Herstellung
verschiedenster piezoelektrischer Vielschichtbauelemente geeignet, beispielsweise zur Herstellung von Transformatoren, Aktoren oder Kondensatoren.
Bei dem Schleifen können die piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente in einem losen Zustand vorliegen.
Beispielsweise können die Bauelemente in einem losen Zustand in einer Trommel angeordnet sein. Als loser Zustand kann dabei ein Zustand bezeichnet werden, bei dem die Vielschichtbauelemente nicht mechanisch miteinander verbunden sind .
Das hier beschriebene Schleifen der piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente soll dazu dienen, eine Oberfläche der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente selbst abzutragen. Beabsichtigt ist nicht, die Oberfläche der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente von einer Kontamination zu befreien. Bei dem Herstellungsverfahren befindet sich üblicherweise keine Kontamination auf der Oberfläche, die entfernt werden müsste .
Die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente können als
Grünkörper geschliffen werden, wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente nach dem Schleifen gesintert werden.
Ein Grünkörper ist ein ungebrannter Rohling. Ein Grünkörper ist ein Körper im grünen Zustand, das heißt ein keramischer Körper vor der Durchführung eines Brenn- oder
Sinterprozesses. Im Grünzustand kann Material von den
Vielschichtbauelementen in einfacher Weise abgetragen werden, da die Härte der Vielschichtbauelemente vor dem Sintern deutlich geringer ist als nach Durchführung eines
Sintervorgangs. Da der Materialabrieb nach dem Sintern erheblich aufwendiger wäre, wird der Schleifprozess
vorzugsweise vor dem Sintern durchgeführt.
Ein Grünkörper weist eine Härte auf, die deutlich geringer ist als die Härte eines typischen harten Massenguts, wie etwa einer Schraube, eines Nagels oder einer Stahlfeder. Der
Grünkörper ist weicher und elastischer als derartige
Metallteile . Der Grünkörper enthält oft einen organischen Binder, der für die vorherige Formgebung benötigt wird. Der organische Binder weist typischerweise Weichmacher auf. Diese können durch eine Temperaturbehandlung entfernt werden, wobei das Bauelement härter wird.
Vor dem Schleifen der piezoelektrischen Bauelemente kann ein Temperprozess durchgeführt werden. Bei dem Temperprozess kann das piezoelektrische Bauelement erhöhten Temperaturen von 100 °C bis 150 °C ausgesetzt werden. Dabei können die Weichmacher des organischen Binders zumindest teilweise entfernt werden. Durch das Entfernen der Weichmacher wird die Härte des
Bauelements erhöht. Dementsprechend kann durch den
Temperprozess die Härte des Bauelements in gewünschter Weise eingestellt werden. Insbesondere kann es der Temperprozess ermöglichen, die Härte der piezoelektrischen Bauelemente derart einzustellen, dass sie bei dem Schleifen nicht in unerwünschter Weise deformiert werden.
Die bei dem Temperprozess gewählte Temperatur hängt von dem verwendeten Weichmacher ab. Der Temperprozess kann unter reduziertem Druck durchgeführt werden.
Der Temperprozess kann dem Abdampfen von Lösungsmitteln und/oder Weichmachern aus einem organischen Binder und damit aus dem piezoelektrischen Vielschichtbauelement dienen. Die Vielschichtbauelemente werden durch den Temperprozess härter. In einer Ausführungsform, weisen die piezoelektrischen
Vielschichtbauelements erst nach der Durchführung des
Temperprozesses eine Härte auf, die das Schleifen ohne
Schleifmittel ermöglicht. Bei dem Temperprozess wird der Binder bzw. ein Polymer des Binders nicht zersetzt. Der Binder wird nicht gasförmig aus einer Keramik des piezoelektrischen Vielschichtbauelements ausgetrieben. Es handelt sich bei dem Temperprozess somit nicht um ein Entbindern. Der Temperaturbereich von 100 °C bis 150 °C, der während des Temperprozesses auftritt, reicht für ein Entbindern nicht aus. Das Polymer wird während des
Temperprozesses vielmehr intakt belassen. Das Bauteil kann durch das zumindest teilweise Entfernen des Lösungsmittels und/oder der Weichmacher härter werden, es bleibt jedoch ein Grünling. Der Schritt des Entbinderns kann erst nach dem Schritt des Schleifens ohne Zusatz von Schleifmittel
durchgeführt werden.
Eine Härte des piezoelektrischen Vielschichtbauelements kann beim Temperprozess erhöht werden.
Bei dem Temperprozess kann ein Lösungsmittel und/oder
Weichmacher eines organischen Binders zumindest teilweise aus dem piezoelektrischen Vielschichtbauelement entfernt werden.
Die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente können bei dem Temperprozess Temperaturen von 100 °C bis 150 °C ausgesetzt werden .
Nach dem Schleifen können die Bauelemente gegebenenfalls getrocknet werden.
Nach dem Schleifen und gegebenenfalls nach dem Trocknen werden thermische Prozesse durchgeführt, beispielsweise
Entbindern und/oder Sintern. Das Schleifen kann in einer Trommel durchgeführt werden, die mit einer Vielzahl der piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente beladen ist, wobei der Materialabrieb durch das Einstellen zumindest eines von Laufzeit des
SchleifVorgangs , der Anzahl der piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente in der Trommel und der
Rotationsgeschwindigkeit der Trommel in gewünschter Weise eingestellt wird. Die drei hier genannten Parameter
beeinflussen jeweils den Materialabrieb während des
SchleifVorgangs .
Durch eine Erhöhung der Laufzeit, das heißt der Zeit, in der die Trommel rotiert, wird der Abtrag des Materials von den Vielschichtbauelementen erhöht. Laufzeit und Materialabrieb sind dabei nahezu linear zueinander.
Die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel, das heißt die
Geschwindigkeit, mit der die Trommel sich dreht, beeinflusst ebenfalls den Materialabrieb der Vielschichtbauelemente. Der genaue Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf den
Materialabrieb hängt von der Geometrie und der Größe sowie dem genauen Aufbau der Vielschichtbauelemente ab. Die
Rotationsgeschwindigkeit sollte derart gewählt werden, dass ein möglichst hoher Materialabrieb pro Sekunde erreicht wird, um auf diese Weise die Dauer des Schleifprozesses zu
minimieren .
Die Anzahl der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente in der Trommel, das heißt die Beladung der Trommel, sollte ebenfalls auf einen für den Materialabrieb optimalen Wert eingestellt werden. Werden pro Volumeneinheit zu viele
Vielschichtbauelemente in die Trommel geladen, so können die Vielschichtbauelemente sich gegenseitig verkeilen und es kommt kaum noch zu einem Reiben der Bauelemente aneinander. Dadurch wird der Materialabrieb stark gehemmt. Auch wenn zu wenige Vielschichtbauelemente in die Trommel geladen werden, kommt es nur zu wenigen Reibvorgängen der Bauelemente
aneinander, wodurch ebenfalls die erreichbare Reibung
reduziert würde.
Die Vielschichtbauelemente können bei dem Schleifen von dem Medium Wasser umgeben sein. Wasser wirkt dabei nicht als Schleifmittel, da das Wasser nicht für einen Materialabrieb von der Oberfläche der Vielschichtbauelemente sorgt.
Insbesondere können sich in der Trommel während des
Schleifens der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente neben den Vielschichtbauelementen nur Wasser und Luft befinden. Alternativ oder ergänzend zu Wasser kann auch eine andere Flüssigkeit verwendet werden.
Wasser oder eine andere Flüssigkeit dient dazu, das
abgeriebene Material in der Schwebe zu halten. Wird keine Flüssigkeit als Medium verwendet werden, so kann sich das abgeriebene Material als Staub auf die Oberflächen der
Bauelemente absetzen und diese verkleben. Dadurch könnte ein weiterer Abtrag verhindert oder zumindest erschwert werden. Zudem erfolgt durch die Verwendung von Wasser oder einer anderen Flüssigkeit als Medium eine Dämpfung der Bewegungen der piezoelektrischen Bauelemente, wodurch es insgesamt zu gleichmäßigeren Bewegungen kommt, so dass das Material von den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen gleichmäßiger abgetragen wird.
Das Wasser kann ferner dazu dienen eine Oberflächenspannung zu beeinflussen. Zu diesem Zweck kann dem Wasser Seife zugesetzt sein. Bei den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen kann es sich um piezoelektrische Transformatoren handeln.
Insbesondere kann es sich dabei um Transformatoren handeln, die für die Verwendung in einem Plasmagenerator zur Erzeugung von nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasma geeignet sind. Bei diesen Bauelementen ist es insbesondere wichtig, eine glatte, abgerundete Oberfläche zu erzielen, da ansonsten durch lokale Feldüberhöhungen Plasmazündungen in
unerwünschter Weise entstehen würden, durch die das
Bauelement beschädigt werden könnte.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der
Figuren näher beschrieben.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
piezoelektrischen VielSchichtbauelements ,
Figur 2 zeigt eine Detailaufnahme eines
Vielschichtbauelementes , das mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde,
Figur 3 zeigt eine Detailaufnahme eines Vergleichsbeispiels eines Vielschichtbauelementes, das unter Verwendung des Scheuermittels Zr02 gefertigt wurde.
Figur 4 zeigt eine weitere Detailaufnahme eines
Vergleichsbeispiels eines Vielschichtbauelementes, das unter Verwendung eines Scheuermittels gefertigt wurde .
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
piezoelektrischen Vielschichtbauelementes 1, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Bei dem
piezoelektrischen Vielschichtbauelement 1 handelt es sich um einen piezoelektrischen Transformator. Der piezoelektrische Transformator kann insbesondere in einer Vorrichtung zur Erzeugung von nichtthermischem Atmosphärendruck-Plasma eingesetzt werden.
Ein piezoelektrischer Transformator ist eine Bauform eines Resonanztransformators, welcher auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu den herkömmlichen magnetischen
Transformatoren ein elektromechanisches System darstellt. Der piezoelektrische Transformator ist beispielsweise ein
Transformator vom Rosen-Typ. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 weist einen
Eingangsbereich 2 und einen Ausgangsbereich 3 auf, wobei der Ausgangsbereich 3 sich in einer longitudinalen Richtung z an den Eingangsbereich 2 anschließt. Im Eingangsbereich 2 weist das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 Elektroden 4 auf, an die eine Wechselspannung angelegt werden kann. Die
Elektroden 4 erstrecken sich in der longitudinalen Richtung z des piezoelektrischen Vielschichtbauelements 1. Die
Elektroden 4 sind in einer Stapelrichtung x, die senkrecht zu der longitudinalen Richtung z ist, abwechselnd mit einem piezoelektrischen Material 5 gestapelt. Das piezoelektrische Material 5 ist dabei in Stapelrichtung x polarisiert.
Eine y-Richtung y steht jeweils senkrecht auf der
Stapelrichtung x und der longitudinalen Richtung z.
Die Elektroden 4 sind im Innern des piezoelektrischen
Vielschichtbauelements 1 angeordnet und werden auch als
Innenelektroden bezeichnet. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 weist eine erste Seitenfläche 6 und eine zweite Seitenfläche 7, die der ersten Seitenfläche 6 gegenüberliegt, auf. Auf der ersten Seitenfläche 6 ist eine erste Außenelektrode 8 angeordnet. Auf der zweiten
Seitenfläche 7 ist eine zweite Außenelektrode (nicht gezeigt) angeordnet. Die innenliegenden Elektroden 4 sind in
Stapelrichtung x abwechselnd entweder mit der ersten
Außenelektrode 8 oder der zweiten Außenelektrode elektrisch kontaktiert .
Ferner weist das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 eine dritte Seitenfläche 20 und eine vierte Seitenfläche 21 auf, die einander gegenüberliegen und die senkrecht zu der ersten Seitenfläche 6 und der zweiten Seitenfläche 7
angeordnet sind. Die Flächennormalen der dritten und der vierten Seitenflächen 20, 21 zeigen jeweils in Stapelrichtung x .
Der Eingangsbereich 2 kann mit einer geringen Wechselspannung angesteuert werden, die zwischen den Elektroden 4 angelegt wird. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts wird die
eingangsseitig angelegte Wechselspannung zunächst in eine mechanische Schwingung umgewandelt. Die Frequenz der
mechanischen Schwingung ist dabei wesentlich von der
Geometrie und dem mechanischen Aufbau des piezoelektrischen Vielschichtbauelements 1 abhängig.
Der Ausgangsbereich 3 weist piezoelektrisches Material 9 auf und ist frei von innenliegenden Elektroden. Das
piezoelektrische Material 9 im Ausgangsbereich ist in der longitudinalen Richtung z polarisiert. Bei dem
piezoelektrischen Material 9 des Ausgangsbereichs 3 kann es sich um das gleiche Material wie bei dem piezoelektrischen Material 5 des Eingangsbereichs 2 handeln, wobei sich die piezoelektrischen Materialien 5 und 9 in ihrer
Polarisationsrichtung unterscheiden können. Im
Ausgangsbereich 3 ist das piezoelektrische Material 9 zu einer einzigen monolithischen Schicht geformt, die
vollständig in der longitudinalen Richtung z polarisiert ist. Dabei weist das piezoelektrische Material 9 im
Ausgangsbereich 3 nur eine einzige Polarisationsrichtung auf.
Wird an die Elektroden 4 im Eingangsbereich 2 eine
Wechselspannung angelegt, so bildet sich innerhalb des piezoelektrischen Materials 5, 9 eine mechanische Welle aus, die durch den piezoelektrischen Effekt im Ausgangsbereich 3 eine Ausgangsspannung erzeugt. Der Ausgangsbereich 3 weist eine ausgangsseitige Stirnfläche 10 auf. Im Ausgangsbereich 3 wird somit eine elektrische Spannung zwischen der Stirnfläche 10 und dem Ende der Elektroden 4 des Eingangsbereichs 2 erzeugt. An der ausgangsseitigen Stirnfläche 10 wird dabei eine Hochspannung erzeugt. Dabei entsteht auch zwischen der ausgangseitigen Stirnfläche und einer Umgebung des
piezoelektrischen Vielschichtbauelements eine hohe
Potentialdifferenz, die ausreicht, um ein starkes
elektrisches Feld zu erzeugen, dass ein Prozessgas ionisiert. Auf diese Weise erzeugt das piezoelektrische
Vielschichtbauelement 1 hohe elektrische Felder, die in der Lage sind, Gase oder Flüssigkeiten durch elektrische Anregung zu ionisieren. Dabei werden Atome oder Moleküle des
jeweiligen Gases bzw. der jeweiligen Flüssigkeit ionisiert und bilden ein Plasma. Es kommt immer dann zu einer
Ionisation, wenn die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des piezoelektrischen Vielschichtbauelements 1 die
Zündfeldstärke des Plasmas überschreitet. Als Zündfeldstärke eines Plasmas wird dabei die Feldstärke bezeichnet, die zur Ionisation der Atome oder Moleküle erforderlich ist.
Das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 weist ferner eine eingangsseitige Stirnfläche 22 auf, die der
ausgangseitigen Stirnfläche 10 gegenüberliegt. Des Weiteren weist das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 Kanten 23 auf. Die Kanten 23 können abgerundet sein. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 wird während seiner Herstellung einem Schleifprozess unterzogen, bei dem kein Schleifmittel verwendet wird und bei dem ein
Materialabrieb von dem piezoelektrischen
Vielschichtbauelement 1 durch das Reiben des
piezoelektrischen Vielschichtbauelementes 1 an weiteren piezoelektrischen Vielschichtbauelementen erfolgt.
Figur 2 zeigt eine Detailaufnahme eines Ausschnittes eines piezoelektrischen Vielschichtbauelementes 1, das mit dem hier beschriebenen Verfahren gefertigt wurde, wobei ein
Materialabrieb von den Seitenflächen 6, 7, 20, 21, den
Stirnflächen 21, 22 und den Kanten 23 des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes 1 durch ein Reiben der Bauelemente aneinander erfolgt. Dabei sind die Vielschichtbauelemente in einem losen Zustand in einer Trommel angeordnet.
Im Vergleich dazu ist in Figur 3 eine Detailaufnahme eines Vergleichsbeispiels eines Vielschichtbauelementes gezeigt, das einem Scheuerprozess unterzogen wurde, bei dem ZrÜ2 als Schleifmittel verwendet wurde.
Ein Vergleich der Figuren 2 und 3 zeigt, dass durch den
Verzicht auf ein Schleifmittel das Material von den Seitenflächen und Kanten der Vielschichtbauelemente m einer Weise abgetragen werden kann, die zu weniger rauen
Seitenflächen und glatter abgerundeten Kanten führt. Auf diese Weise kann das Entstehen von lokalen Unebenheiten an den Außenflächen des Vielschichtbauelementes vermieden werden. Dementsprechend kann die unerwünschte Plasmazündung an solchen lokalen Unebenheiten vermieden werden.
Figur 4 zeigt eine Detailaufnahme eines Vergleichsbeispiels eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements , das ohne vorherige Durchführung eines Temperprozesses und unter der Verwendung eines Schleifmittels, das Schleifkörner aufweist, geschliffen wurde. Figur 4 zeigt, dass ein Schleifkorn 24 bei dem SchleifVorgang in das piezoelektrische
Vielschichtbauelement gedrückt wurde und in diesem nach dem Schleifprozess verblieben ist. Das Schleifkorn 24 wirkt sich in dem Vielschichtbauelement 1 negativ aus. Es führt
beispielsweise zu einer erheblichen Unebenheit der
Oberfläche .
Die Verwendung eines Schleifmittels hat gegenüber dem
Schleifen der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente ohne Schleifmittel lediglich den Vorteil, dass ein Abtrag der Oberfläche schneller vorgenommen werden kann. Es überwiegt jedoch der Nachteil, dass bei Verwendung eines Schleifmittels die Oberfläche deutlich rauer wird, wie in Figur 3 gezeigt, und dass sogar Körner des Schleifmittels in die Oberfläche eindringen können. Alternativ ist es auch denkbar, die piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente gemeinsam mit keramischen Kegeln und ohne Zusatz eines Schleifmittels zu schleifen. Dabei kann eine Glattheit der Oberflächen erreicht werden, die vergleichbar ist mit dem Ergebnis des Materialabriebs durch das Reiben der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente 1 aneinander. Allerdings ist dann noch ein zusätzlicher Schritt zur Trennung der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente und der keramischen Kegel nach dem Schleifen erforderlich.
Werden die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente 1 aneinander gerieben, kann eine glatte Oberfläche erzielt werden. Wird der Schleifprozess für zwei Stunden ausgeführt können die Kanten der piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente 1 in gewünschter Weise abgerundet werden .
Bezugs zeichenliste
1 piezoelektrisches VielSchichtbauelement
2 Eingangsbereich
3 Ausgangsbereich
4 Elektrode
5 piezoelektrisches Material
6 erste Seitenfläche
7 zweite Seitenfläche
8 erste Außenelektrode
9 piezoelektrisches Material
10 ausgangsseitige Stirnfläche
20 dritte Seitenfläche
21 vierte Seitenfläche
22 eingangsseitige Stirnfläche
23 Kanten
24 Schleifkorn
X Stapelrichtung
y y-Richtung
z longitudinale Richtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von
piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1),
wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) ohne Zusatz eines Schleifmittels geschliffen werden, wobei ein Materialabrieb von den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1) durch Reiben der
piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) aneinander erfolgt.
2. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) als Grünkörper geschliffen werden und wobei die
piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) nach dem
Schleifen gesintert werden.
3. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei vor dem Schleifen der piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente (1) ein Temperprozess
durchgeführt wird, bei dem die piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente (1) einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden. 4. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei eine Härte des piezoelektrischen
Vielschichtbauelements (1) beim Temperprozess erhöht wird . 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4,
wobei bei dem Temperprozess ein Lösungsmittel und/oder Weichmacher eines organischen Binders zumindest teilweise aus dem piezoelektrischen
Vielschichtbauelement (1) entfernt
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5,
wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) bei dem Temperprozess Temperaturen von 100 °C bis 150 °C ausgesetzt werden.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Schleifen in einer Trommel durchgeführt wi die mit einer Vielzahl der piezoelektrischen
Vielschichtbauelemente (1) beladen ist,
wobei der Materialabrieb durch Einstellen zumindest eines von Laufzeit des SchleifVorgangs , Anzahl der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) in der Trommel und Rotationsgeschwindigkeit der Trommel in gewünschter Weise eingestellt wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1] bei dem Schleifen von dem Medium Wasser umgeben sind.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei es sich bei den piezoelektrischen
Vielschichtbauelementen (1) um piezoelektrische
Transformatoren handelt.
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