JP2011513961A - ピエゾセラミックの分極方法 - Google Patents

Abstract

本発明はピエゾセラミックの分極方法に関する。まず少なくとも２つの平面状に形成された互いに対向する電極（３，４）と、少なくとも１つの目標破壊個所（７）とを有する、分極されていないピエゾセラミック（２）からなる基体（１）を準備する。前記目標破壊個所（７）に基づいて、第１電圧値を有する電圧の印加時にアンロードクラック（１０）が形成される。電圧パルス（３４，３５，５３，７３）を前記電極に印加し、前記電圧パルスのパルス高さは時間依存性の包絡線（３１，５１，７１）に従っている。第１区間（３３）における前記電圧パルス（３４，３５，５３，７３）のパルス高さは、第１電圧値よりも大きく、第１区間（３３）に後続する包絡線（３１）の第２区間（３２）における電圧パルス（３５）のパルス高さは、第２電圧値（Ｕ２）を有しており、該第２電圧値は、前記ピエゾセラミックの持続的な分極のために充分なものである。

Description

本発明は、ピエゾセラミックの分極方法に関する。

例えば鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩などのようなピエゾセラミック材料は、電圧が印加されると、電圧によって発生される電界に対して平行な方向に伸張する。ピエゾセラミックはとりわけピエゾ圧電アクチュエータのために使用される。ピエゾ圧電アクチュエータによって例えば内燃機関における燃料噴射が制御される。

ピエゾセラミックは、最初は分極されていない電気双極子を有する。ピエゾ圧電効果を利用できるようにするためにはピエゾセラミックを分極しなければならない。

ＤＥ１００２８３３５Ｂ４はピエゾセラミックの分極方法を開示しており、ここでは、互いに対向する少なくとも２つの電極を有する、分極されていないピエゾセラミックからなる基体から出発して、複数の電圧パルスが前記電極に印加される。電圧パルスのパルス高さは時間依存性の包絡線に従っており、該包絡線は、最小電圧から最大電圧までの上昇時間の間である第１区間においては増大し、保持時間の間である第２区間においては持続する。最小電圧は、電荷が充電される際に、まだ分極されていないピエゾセラミックの最大限に障りのない充電量を下回らないような値を有する。最大電圧は、ピエゾセラミックの持続的な分極を形成するために適当なものである。

本発明の課題は、分極されていないピエゾセラミックのより迅速な分極を可能にする、ピエゾセラミックの分極方法を提供することである。

この課題は、以下の方法ステップを有するピエゾセラミックの分極方法によって解決される：
・平面状に形成された少なくとも２つの互いに対向する電極と、少なくとも１つの目標破壊個所とを有する、分極されていないピエゾセラミックからなる基体を用意する。前記目標破壊個所に基づき、第１電圧値を有する電圧を印加した際にアンロードクラックが形成される。
・複数の電圧パルスを印加する。なお該電圧パルスのパルス高さは時間依存性の包絡線に従っており、ここで包絡線の第１区間における電圧パルスのパルス高さは、第１電圧値よりも大きく、かつ、包絡線の第１区間に後続する第２区間における電圧パルスのパルス高さは、ピエゾセラミックの持続的な分極のために十分な第２電圧値を有する。

分極されていないピエゾセラミックからなる基体は例えばピエゾアクチュエータのために使用するよう企図されている。ピエゾアクチュエータのために使用できるようにするためには、分極されていないピエゾセラミックを分極しなければならない。基体はさらに１つまたは複数の目標破壊個所を有している。この目標破壊個所に基づき、第１電圧が印加された際に１つまたは複数のアンロードクラックが形成される。多孔性のセラミック層または多孔性の電極層にわたるアンロードクラックを所期のように制御することによって、基体を使用するピエゾアクチュエータの寿命を延ばすことができる。目標破壊個所は、とりわけＤＥ１０２００４０３１４０４Ａ１およびＤＥ１０２４７８７１に開示されている。

目標破壊個所に基づき、分極されていないピエゾセラミックを包絡線の第２区間の電圧パルスによって分極する前に、分極されていないピエゾセラミックからなる基体に、包絡線の第１区間の電圧を印加することができる。第１区間の電圧（第１電圧値）は、印加時に１つまたは複数のアンロードクラックが生じる電圧よりも大きい、とりわけ格段に大きい。

第１電圧値はとりわけ第２電圧値よりも大きい値とすることができ、これによって本発明の効率は上昇する。

多孔性の層にわたる１つまたは複数のアンロードクラックの制御により、この１つまたは複数のアンロードクラックが意図的に以下のような深さまで拡がるよう保証される。すなわちこの深さとは、この深さを超えるとアンロードクラックが有害な屈曲にまで至ってしまうという深さである。

基体に包絡線の第１区間の電圧パルスを印加した直後に、包絡線の第２区間を開始することができる。第２電圧値は、ピエゾセラミックの持続的な分極のために充分に足りるような高さである。第２電圧値は、例えば２つの電極間の距離および／またはピエゾセラミックに依存している。

第２電圧値は、ピエゾアクチュエータの最大許容電圧と同じとすることができる。ピエゾアクチュエータのために基体が設けられている。第２電圧値は、持続的な分極のための充電が達成される電圧からなる比較的高い値であるか、またはピエゾアクチュエータの最大許容電圧である。

アンロードクラックが形成されるためには、分極されていないピエゾセラミックからなる基体に、第１電圧値を有する電圧パルスを比較的短時間印加するだけでよい。したがって本発明の方法の１つの実施形態によれば、第１区間の期間は第２区間の期間よりも短い。とりわけ第１区間の期間は、第２区間の期間の４分の１以下とすることができる。ピエゾセラミックが分極される間である包絡線の第２区間の期間は、例えば６０秒である。この時間には基体に例えば６０００回の電圧パルスが印加される。１つまたは複数のアンロードクラックが形成される間である第１区間の期間は、例えば１５秒とすることができ、この時間には基体に例えば１５００回の電圧パルスが印加される。

基体はとりわけパッシベーション層の中に汚染物質を有することがある。この汚染物質によって、必ずしも基体が使用されたピエゾアクチュエータが機能的に使用不能になるわけではない。したがって本発明の別の実施形態によれば、包絡線は、第１区間に先行する第３区間を有する。第３区間の電圧のパルス高さは第３電圧値を有し、該第３電圧値は第２電圧値よりも小さく、かつ汚染物質を焼却するのに充分な値である。第３区間の電圧パルスは、汚染個所にて意図的に電気的なフラッシュオーバーを形成するように意図されている。フラッシュオーバーによって発生した火花は、導電性の焼跡を残すことなく汚染物質を焼却することができる。

汚染物質を焼却するのに必要とされる期間も比較的短く選択することができる。本発明の１つの実施形態によれば、第１区間および第３区間の期間は合わせて第２区間の期間よりも短い。とりわけ第１区間および第３区間の期間は、第２区間の期間の４分の１以下とすることができる。

第３電圧値（汚染物質の焼却のための電圧）は、例えばまず分極されていないピエゾセラミックからなる基体の導電率を求めることによって求められる。これによってとりわけパッシベーション層における汚染の度合いを推測することができる。それから求められた汚染度合いに基づいて第３電圧値を調整することができる。

分極されていないピエゾセラミックからなる基体の導電率は、例えばとりわけ約１０Ｖの電圧を電極に印加することによって求めることができる。

第３電圧値が第２電圧値以上である場合には第３区間は必要なくなる。

基体が使用されたピエゾアクチュエータの絶対安定性は、ピエゾセラミックの分極中に、ピエゾアクチュエータが作動中に受けている平均ストロークにおける平均の力が付加的に作用する場合に、向上させることができる。したがって本発明の方法１つの実施形態によれば、電圧パルスが印加されている間に基体には、該基体に対して作用する力が加えられる。基体に対して作用するこの力は、該基体が使用されているピエゾアクチュエータが平均ストロークにおいて作動する際に受ける力の平均値に相当する。このことは例えば電圧パルスの印加中に、基体が、特定の用途に応じたばね剛性または所定の力に抗して動作することによって達成することができる。

包絡線はさらに、第２区間に後続する第４区間を有することができる。第４区間の電圧パルスのパルス高さは第４電圧値を有しており、該第４電圧値は、基体が設けられているピエゾアクチュエータに作動中に印加される電圧の平均値に相当する。第４区間の期間は、第２区間の期間よりも短いものとすることができる。とりわけ第４区間の期間は、第２区間の持続時間の２分の１以下とすることができる。

本発明の方法は、本発明の方法のためのポーリング装置が以下のように動作する場合に、時間的にとりわけ効率的に実施することができる。すなわち、第２区間における電圧パルスの印加時に、電圧が最大であるにも拘わらず力の作用がピエゾアクチュエータの噴射平均値にしか相当しないようにポーリング装置の機構が実施されるよう、ポーリング装置が動作する場合に、本発明の方法を時間的にとりわけ効率的に実施することができるのである。

添付された概略図に、本発明の実施例が一例として示されている。

図１は、分極されていないピエゾセラミックを備えるピエゾ積層体を示す。 図２は、ピエゾセラミックの分極後のピエゾ積層体を示す。 図３は、ピエゾ積層体に印加される電圧の経過を示す。 図４は、電圧の包絡線を示す。 図５は、図１のピエゾ積層体に印加可能な電圧の択一的な経過を示す。 図６は、図５の電圧の包絡線を示す。 図７は、図１のピエゾ積層体に印加可能な電圧の別の経過を示す。 図８は、図７の電圧の包絡線を示す。

図１は、本発明の実施例における、直方体形状に形成されたピエゾ積層体１（基体）を、部分的に切り取られた斜視図において示す。ピエゾ積層体１は、層状に形成された分極されていないピエゾセラミック２と、該ピエゾセラミック２の内部に配置された複数の内部電極３，４とを有しており、一般的に公知の方法にて、例えば積層、分離、結合剤除去、研磨等のプロセスステップによって形成されたものである。ピエゾセラミック２は例えば鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩を有する。本実施例の場合には、内部電極３，４は、ピエゾ積層体１に亘って延在する導電性金属層である。

本実施例の場合には、内部電極３，４は外部電極５，６と交互に電気的に接続されており、該外部電極５，６は、ピエゾ積層体１の、対向する外側表面に配置されており、かつピエゾセラミック２の外側面に直接取り付けられている。したがって２つの外部電極５，６の一方と電気的に接続されている内部電極３，４は、外部電極５，６との電気接続のために、接続される方の外部電極５，６が配置されている外側表面まで達している。しかしながら内部電極３，４が他方の外部電極５，６からは電気的に絶縁されているようにするために、内部電極３，４は、他方の外部電極５，６が配置されているピエゾ積層体１の外側表面までは到達していない。

本実施例においては、ピエゾ積層体１の外側面にさらにパッシベーション層８が設けられている。パッシベーション層８は汚染物質９を含むことがある。

本実施例においては、ピエゾ積層体１はさらに目標破壊個所７を有する。目標破壊個所に基づき、内部電極３，４に印加される電圧を上回った際に、図２に図示するアンロードクラック１０が形成される。

図１に図示されたピエゾ積層体１のピエゾセラミック２はまだ分極されておらず、このピエゾセラミック２がピエゾ圧電効果を有するようにするためには分極されなければならない。この分極は、電圧Ｕを内部電極３，４ないし外部電極５，６に印加することによって達成され、この電圧Ｕの経過は図３に示されている。

本実施例においては、ピエゾ積層体１に印加される電圧Ｕは電圧パルス３４，３５であり、該電圧パルス３４，３５のパルス高さは時間依存性の包絡線３１に従っている。図４に再度示される包絡線３１は、図４では実線によって示されている第１区間３３と、図４では破線で示されている第２区間とを有する。

本実施例の場合には、包絡線３１の第２区間３２は６０００回のパルス３５を含み、これらのパルスはそれぞれ電圧Ｕ２と同じパルス高さを有する。第２包絡線３２の期間ＴＨは約６０秒である。電圧Ｕ２は、分極されていないピエゾセラミック２を分極するのに充分なものであり、本実施例においては約１６０Ｖの値を有する。ピエゾ積層体１は、詳細に図示されていないピエゾアクチュエータのために設けられており、このピエゾアクチュエータの最大許容電圧が、分極されていないピエゾセラミック２を分極するために充分なものである場合には、第２区間３２のパルス高さはこの最大許容電圧と同じとすることができる。

第１区間３３の期間ＴＶは、本実施例においては第２区間３２の期間ＴＨよりも格段に短く、約１５秒であり、例えば１５００回のパルス３４を含む。第１区間のパルス３４のパルス高さのための電圧Ｕ１は、アンロードクラック１０を形成する電圧よりも大きくなるように選択されている。本実施例においては、電圧Ｕ１は約２００Ｖである。

このようにしてピエゾ積層体１に電圧が印加された後、分極されたピエゾセラミック２’を備えた図２のピエゾ積層体１’が形成される。

図５は、ピエゾ積層体１の分極されていないピエゾセラミック２を分極するための、択一的な電圧経過を示す。図４に図示した電圧経過は、電圧パルス３４，３５、および付加的に電圧パルス５３であり、これらの電圧パルスのパルス高さは、まとめて時間依存性の包絡線５１に従っている。図６に再度示されている包絡線５１は、図４に図示した包絡線３１に加えて、図６では破線で示されている第３区間５２を有する。この第３区間５２は、第１区間３３に先行している。

本実施例においては、第１区間３３および第３区間５２の期間ＴＶ’はともに第２区間３２の期間ＴＨよりも格段に短く、約１５秒である。第１区間３２および第３区間５２はそれぞれ約７５０回のパルス３４，５３を有する。第１区間３４のパルス高さは電圧値Ｕ１を有し、したがってアンロードクラック１０が形成される。

とりわけパッシベーション層８は汚染物質９を有することがある。この汚染物質は、本実施例においては第３区間５２の電圧パルス５３によって焼却される。この際、第３区間５２の電圧パルス５３の電圧Ｕ３によるパルス高さは、第２区間３２の電圧Ｕ２よりも低い。第３区間５２の電圧パルス５３の電圧Ｕ３の高さは、例えばまず分極されていないピエゾセラミック２からなるピエゾ積層体１の導電率を求めることによって求められる。これによって、パッシベーション層８における汚染９の度合いを推測することができる。それからこの求められた汚染９の度合いに基づいて電圧Ｕ３を調整することができる。分極されていないピエゾセラミック２からなるピエゾ積層体１の導電率は、例えばとりわけ約１０Ｖの電圧を内部電極３，４に印加することによって求めることができる。

このようにしてピエゾ積層体１に電圧が印加された後、分極されたピエゾセラミック２’を備えた図２のピエゾ積層体１’が形成される。

図７は、ピエゾ積層体１の分極されていないピエゾセラミック２を分極するための、択一的な電圧経過を示す。図７に図示した電圧経過は、電圧パルス３４，３５，５３および付加的に電圧パルス７３であり、これらの電圧パルスのパルス高さは、まとめて時間依存性の包絡線７１に従っている。図８に再度示されている包絡線７１は、図６に図示した包絡線５１に加えて、図８では実線で示されている第４区間７２を有する。この第４区間７２は、第２区間３２に後続している。

本実施例においては、包絡線７１の第４区間７２は３０００回の個別のパルス７５を含み、このパルスのパルス高さは電圧Ｕ４を有する。第４区間７２の期間ＴＨ２は約３０秒である。第４区間７２の電圧パルス７３のための電圧Ｕ４は、ピエゾ積層体１が設けられているピエゾアクチュエータの作動中に印加される電圧の平均値に相応している。

このようにしてピエゾ積層体１に電圧が印加された後、分極されたピエゾセラミック２’を備えた図２のピエゾ積層体１’が形成される。

本実施例においては、分極されていないピエゾセラミック２の分極中に、すなわちピエゾ積層体１に電圧を印加している間に、このピエゾ積層体１には、該ピエゾ積層体１が設けられているピエゾアクチュエータが作動中に受けている平均ストロークにおける平均の力Ｆが加えられる。このことは例えば、電圧パルス３４，３５，５３，７３の印加中に、ピエゾ積層体１が、特定の用途に応じたばね剛性または所定の力に抗して動作することによって達成することができる。

Claims (11)

1. ピエゾセラミックの分極方法において、
   ・少なくとも２つの平面状に形成された互いに対向する電極（３，４）と、少なくとも１つの目標破壊個所（７）とを有する、分極されていないピエゾセラミック（２）からなる基体（１）を準備し、
   前記目標破壊個所（７）に基づいて、第１電圧値を有する電圧の印加時にアンロードクラック（１０）が形成され、
   ・複数の電圧パルス（３４，３５，５３，７３）を、前記電極（３，４）に印加し、
   前記電圧パルスのパルス高さは、時間依存性の包絡線（３１，５１，７１）に従っており、
   第１区間（３３）における前記電圧パルス（３４，３５，５３，７３）のパルス高さは、第１電圧値よりも大きく、
   第１区間（３３）に後続する包絡線（３１）の第２区間（３２）における電圧パルス（３５）のパルス高さは、第２電圧値（Ｕ２）を有しており、
   該第２電圧値は、前記ピエゾセラミック（２）の持続的な分極のために充分なものである、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第１電圧値は前記第２電圧値（Ｕ２）よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記基体（１）は、ピエゾアクチュエータのために設けられており、
   前記第２電圧値（Ｕ２）は、ピエゾアクチュエータの最大許容電圧値と同じである、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記第１区間（３３）の期間（ＴＶ）は、前記第２区間の期間（ＴＨ）よりも短く、とりわけ前記第１区間（３３）の期間（ＴＶ）は、前記第２区間（３２）の期間（ＴＨ）の４分の１以下である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記包絡線（５１，７１）は、前記第１区間（３３）に先行する第３区間を有し、
   該第３区間（５２）の電圧パルス（５３）のパルス高さは、第３電圧値（Ｕ３）を有し、
   該第３電圧値（Ｕ３）は、前記第２電圧値（Ｕ２）よりも小さく、かつ、とりわけ前記基体（１）のパッシベーション層（８）の中にある汚染物質（９）を焼却するのに充分なものである、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記第１区間および第３区間（３３，５２）の期間（ＴＶ）は、合わせて前記第２区間（３２）の期間（ＴＨ）よりも短く、とりわけ前記第１区間および第３区間（３３，５２）の期間（ＴＶ）は、合わせて前記第２区間（３２）の期間（ＴＨ）の４分の１以下である、
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 分極されていないピエゾセラミック（２）からなる基体（１）の導電率を求めて、前記汚染物質（９）の度合いを推定し、
   求められた前記汚染物質（９）の度合いに基づいて前記第３電圧（Ｕ３）を調整する、
   ことを特徴とする請求項５または６記載の方法。
8. 分極されていないピエゾセラミック（２）からなる基体（１）の導電率を求めるために、とりわけ約１０Ｖの電圧を前記電極（３，４）に印加する、
   ことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記電圧パルス（３４，３５，５３，７３）の印加中に、前記基体（１）に、該基体に対して作用する力（Ｆ）を加え、
   該基体に対して作用する力（Ｆ）はとりわけ、前記基体（１）が設けられているピエゾアクチュエータが平均ストロークにおいて作動する際に受ける力の平均値に相当する、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の方法。
10. 前記包絡線（７１）は、前記第２区間（３２）に後続する第４区間（７２）を有し、
    該第４区間（７２）の電圧パルス（７３）のパルス高さは第４電圧値（Ｕ４）を有し、
    該第４電圧値（Ｕ４）は、基体（１）が設けられたピエゾアクチュエータの作動中に印加される電圧の平均値に相当する、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の方法。
11. 前記第４区間（７２）の期間（ＴＨ２）は、前記第２区間（３２）の期間（ＴＨ）よりも短く、とりわけ前記第４区間（７２）の期間（ＴＨ２）は、前記第２区間（３２）の期間（ＴＨ）の２分の１以下である、
    ことを特徴とする請求項１０のいずれか一項記載の方法。

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