WO2009047048A1 - Verfahren zum polarisieren eines piezoelektrischen elements - Google Patents

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Christian Reichinger
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    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a method for polarizing a piezoelectric element according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • Piezoelectric elements which are used, for example, as piezoactuators for fuel injection in internal combustion engines, consist of mutually sintered stacks of piezoceramic layers, each with metal electrodes lying between the piezoceramic layers.
  • the individual metal electrodes are each connected in alternation with the plus or minus pole of a voltage source, via which voltage is supplied to the piezoelectric element for polarization.
  • a polarization field is applied to them through the metal electrodes.
  • the polarization results in an ordered distribution of aligned in the field direction in the crystals of the ceramic domains over the originally unpolarized initial state.
  • the piezoelectric element is permanently extended in the direction of the applied field.
  • tensile stresses can occur in the region of the ceramic layers that is not extended by the field effect in the piezoelectric element, as a result of which it is possible to form poling cracks within the ceramic layers which shorten the operating life of the piezoelectric element.
  • the object underlying the present invention is now to extend the service life of the piezoelectric element.
  • the pulse amplitude of the first time period is selected such that polarization cracks form within the piezoelectric element. Furthermore, in the second time duration, the pulse amplitude is selected such that the piezoelectric element is poled as gently as possible.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a structure of a piezoelectric element
  • FIG. 2 shows a pulse profile for polarizing the piezoelectric element.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a structure of a piezoelectric element.
  • a piezoelectric element 10 consists of a plurality of piezoceramic layers 11 arranged one above the other, between each of which a metal electrode 12 is arranged.
  • the individual metal electrodes 12 each have a recess 13 at one of their corners, wherein the recess 13 is arranged alternately at respectively opposite corners of successive metal electrodes 12.
  • those metal electrodes 12 which have no recess there are connected to one another and connected to the plus or minus pole of a voltage source.
  • a field for polarizing the piezoelectric element and following the polarization for the operation of the piezoelectric element is generated.
  • the voltage applied to the electrodes 14, 15 voltage is provided by a not visible in the figure 1 voltage source. Furthermore, it is ensured by the recesses 13 that a metal electrode 12 is connected in each case only to one electrode 14.
  • FIG. 2 shows a pulse profile for polarizing the piezoelectric element.
  • the latter is given a specific pulse profile for a predefinable time t with a specific pulse amplitude A. guided.
  • the piezoelectric element is preferably acted upon by a voltage pulse.
  • the piezoelectric element is supplied for a first time tl a certain number of voltage pulses with a constant pulse amplitude Al.
  • the pulse amplitude Al is chosen such that form within the piezoelectric element first poling cracks.
  • the piezoelectric element is subjected to further voltage pulses for a second time duration t 2.
  • the output amplitude A2 of the first voltage pulse Il and the following pulse amplitudes of the second time duration t2 are chosen such that the formation of poling cracks should be avoided as far as possible.
  • the pulse amplitude which is supplied to the piezoelectric element within the time period t2 increases until a maximum amplitude value A-max is reached.
  • the increase in the pulse amplitude from the output amplitude A2 to the maximum amplitude value Amax is preferably linear.
  • the piezoelectric element is applied to the end of the second time period t2 and thus the polarization. By means of the polarity a gentle polarization of the piezoelectric element is ensured.
  • the durations of the individual pulse pulses can be of different lengths and do not have to be in the limited to a triangular pulse pulse.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Elements. Das piezoelektrische Element wird für eine erste Zeitdauer mit Spannungspulsen beaufschlagt, deren Pulsamplitude derart gewählt ist, dass sich Polungsrisse innerhalb des piezoelektrischen Elements ausbilden. Ferner wird das piezoelektrische Element für eine zweite Zeitdauer mit Pulsen beaufschlagt, deren Pulsamplitude ausgehend von einer Ausgangspulsamplitude bis auf einen maximalen Amplitudenwert ansteigt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Elements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Elements gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Piezoelektrische Elemente, die beispielsweise als Piezoakto- ren zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen, bestehen aus gemeinsam gesinterten Stapeln von Piezokeramikschichten mit jeweils zwischen den Piezoker- maikschichten liegenden Metallelektroden. Die einzelnen Metallelektroden sind jeweils alternierend mit dem Plus- bzw. Minuspol einer Spannungsquelle verbunden, über die an dem piezoelektrischen Element Spannung zur Polarisierung zugeführt wird. Um die piezoelektrischen Elemente zu polarisieren, wird an diese durch die Metallelektroden ein Polarisationsfeld angelegt. Infolge der Polarisation ergibt sich eine geordnete Verteilung der in Feldrichtung in den Kristallen der Keramik ausgerichteten Domänen gegenüber dem ursprünglich unpolarisierten Ausgangszustand.
Im Anschluss an die Polarisation ist das piezoelektrische E- lement bleibend in Richtung des angelegten Felds verlängert. Durch diese Verlängerung können im piezoelektrischen Element Zugspannungen in dem durch die Feldeinwirkung nicht verlängerten Bereich der Keramikschichten auftreten, wodurch sich innerhalb der Keramikschichten Polungsrisse ausbilden können, die die Betriebsdauer des piezoelektrischen Elements verkürzen .
In der Offenlegungsschrift Al wird ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik beschrieben, bei dem ausgehend von einer Mindestspannung die Amplitude der Polungspulse, die mit einer festen Frequenz abgegeben werden, kontinuierlich bis zum Maximalwert angehoben wird und dann mit diesem Maximalwert der Aktor weiter pulsend gepolt wird.
Bedingt durch die geometrische Form der piezoelektrischen E- lemente existieren aber Schwachstellen innerhalb der Keramikschichten des piezoelektrischen Elements, bei denen eine Rissbildung die Betriebsdauer des piezoelektrischen Elements stärker verkürzt, als eine Rissbildung außerhalb dieser Schwachstelle .
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, die Betriebsdauer des piezoelektrischen EIe- ments zu verlängern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Pulsamplitude der ersten Zeitdauer derart gewählt ist, dass sich Polungsrisse innerhalb des piezoelektrischen Elements ausbilden. Ferner ist in der zweiten Zeit- dauer die Pulsamplitude derart gewählt, dass das piezoelektrische Element möglichst schonend gepolt wird.
Das Beaufschlagen des piezoelektrischen Elements für eine erste Zeitdauer mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen mit vorgebbarer Pulsamplitude bietet den Vorteil, dass die Polungszeit verkürzt wird. Ferner wird die Pulsamplitude derart gewählt, dass dadurch innerhalb des piezoelektrischen Elements Polungsrisse gezielt erzeugt werden und somit die Betriebsdauer des piezoelektrischen Elements verlängert wird. Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1: eine schematische Ansicht eines Aufbaus eines piezo- elektrischen Elements, und
Figur 2: einen Pulsverlauf zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements.
Figur 1 zeigt eine schematisch Ansicht eines Aufbaus eines piezoelektrischen Elements. Ein piezoelektrisches Element 10 besteht aus mehreren übereinander angeordneten Piezokeramik- schichten 11, zwischen denen jeweils eine Metallelektrode 12 angeordnet ist. Die einzelnen Metallelektroden 12 weisen an einer ihrer Ecken jeweils eine Aussparung 13 auf, wobei die Aussparung 13 abwechselnd an jeweils gegenüberliegenden Ecken aufeinander folgenden Metallelektroden 12 angeordnet ist. An den beiden Ecken sind jeweils diejenigen Metallelektroden 12, die dort keine Aussparung aufweisen, untereinander verbunden und an den Plus- bzw. Minuspol einer Spannungsquelle ange- schlössen.
Mittels einer an den Elektroden 14, 15 anliegenden Spannung wird ein Feld zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements und im Anschluss an die Polarisation zum Betrieb des piezo- elektrischen Elements erzeugt. Die an den Elektroden 14, 15 anliegende Spannung wird durch eine in der Figur 1 nicht sichtbare Spannungsquelle bereitgestellt. Ferner wird durch die Aussparungen 13 sichergestellt, dass eine Metallelektrode 12 jeweils nur mit einer Elektrode 14 verbunden ist.
Figur 2 zeigt einen Pulsverlauf zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements. Zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements wird diesem ein bestimmter Pulsverlauf für eine vorgebbare Zeitdauer t mit einer bestimmten Pulsamplitude A zu- geführt. Das piezoelektrische Element wird dabei vorzugsweise mit einem Spannungsimpuls beaufschlagt.
Dem piezoelektrischen Element wird für eine erste Zeitdauer tl eine bestimmte Anzahl von Spannungsimpulsen mit einer konstanten Pulsamplitude Al zugeführt. Die Pulsamplitude Al ist dabei derart gewählt, dass sich innerhalb des piezoelektrischen Elements erste Polungsrisse ausbilden. Mittels der gezielten Erzeugung dieser Polungsrisse soll der Einfluss der Polungsrisse, die sich in den durch die geometrische Form des piezoelektrischen Elements bedingten Schwachstellen bilden, auf die Lebensdauer des piezoelektrischen Elements verringert werden .
Im Anschluss an die erste Zeitdauer tl wird das piezoelektrische Element für eine zweite Zeitdauer t2 mit weiteren Spannungsimpulsen beaufschlagt. Dabei ist die Ausgangsamplitude A2 des ersten Spannungsimpulses Il und die folgenden Pulsamplituden der zweiten Zeitdauer t2 derart gewählt, dass eine Bildung von Polungsrissen möglichst vermieden werden soll.
Ausgehend von der Ausgangsamplitude A2 steigt die Pulsamplitude, die dem piezoelektrischen Element innerhalb der Zeitdauer t2 zugeführt wird, bis ein maximaler Amplitudenwert A- max erreicht wird. Der Anstieg der Pulsamplitude von der Aus- gangsamplitude A2 bis zum maximalen Amplitudenwert Amax erfolgt vorzugsweise linear. Mit diesem maximalen Amplitudenwert Amax wird das piezoelektrische Element bis zum Ende der zweiten Zeitdauer t2 und damit der Polarisation beaufschlagt. Mittels des Polungsverlauf wird eine schonende Polarisierung des piezoelektrischen Elements sichergestellt.
Die Zeitdauern der einzelnen Pulsimpulse können dabei unterschiedlich lang sein und müssen nicht auf den in dieser Aus- führungsform vorgestellten dreieckförmigen Pulsimpuls beschränkt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen Elementen, insbesondere Piezoaktoren, die aus einer Vielzahl von Piezokeramikschichten und jeweils zwischen zwei Piezokeramik- schichten liegenden Metallelektroden gebildet sind und die Metallelektroden alternierend mit je einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelektroden für eine erste Zeitdauer mit einer vor- gebbaren Anzahl von Spannungspulsen beaufschlagt werden, deren Pulsamplitude derart gewählt ist, dass sich Polungsrisse innerhalb des piezoelektrischen Elements ausbilden, und dass die Metallelektroden für eine zweite Zeitdauer mit Spannungspulsen beaufschlagt werden, deren Ausgangsamplitude kleiner ist als die Pulsamplitude der Spannungspulse der ersten Zeitdauer, und dass die Pulsamplitude innerhalb der zweiten Zeitdauer, ausgehend von dieser Ausgangsamplitude auf einen maximalen Amplitudenwert ansteigt, der oberhalb der Pulsamplitude der ersten Zeitdauer liegt und bis zum Ende der zweiten Zeit- dauer konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der einzelnen Pulse unterschiedlich lang ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsamplitude der einzelnen Pulse der ersten Zeitdauer konstant ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Pulsamplitude für die zweite Zeitdauer ausgehend von einer Ausgangspulsamplitude bis auf einen maximale Amplitudenwert linear ansteigt.
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