WO2009156202A1 - Verfahren zum herstellen eines gestapelten piezoaktors sowie piezoaktor - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines gestapelten piezoaktors sowie piezoaktor Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing piezoactuators, which are produced by stacking ceramic layers.
  • Piezo actuators are polarized, ceramic components made of piezoelectric material, which expand when an electric field in the direction of the electric field see. Such piezoelectric actuators find application in many technical fields as adjusting elements.
  • a special field of application are the injection valves for fuel in cylinders of internal combustion engines controlled by piezoelectric actuators.
  • the voltage- or charge-controlled deflection of the piezoelectric actuator is used to position an injection valve which effects the stroke of a nozzle needle of the injection valve.
  • a major advantage of the piezo actuators is that they can be deflected precisely and very quickly and can exert high forces.
  • the electric field strengths required for driving the piezoelectric material are comparatively high, so that such piezoelectric actuators are designed as multilayer actuators in order to obtain a significant expansion at a moderate electrical drive voltage.
  • the multi- Tactors comprise a layer composite of thin ceramic layers of piezoelectric material with interposed metallic internal electrodes.
  • the internal electrodes are guided alternately to the outside and connected to external electrodes, which are arranged, for example, laterally, that is to say along the stacking direction. Ie. each second inner electrode is connected to one of the outer electrodes and each intermediate inner electrode is connected to the corresponding outer electrode.
  • a typical thickness of a ceramic layer of a piezoelectric actuator is 100 .mu.m, so that at an applied control voltage of about 200 volts applied to each active ceramic layer, an electric field of about 2 kV / mm.
  • a typical design of such a piezoelectric actuator consists of 300 active ceramic layers with a respective layer thickness of 90 microns and an Ag-Pd inner electrode having a thickness of 2 to 3 microns.
  • the actuator surfaces are ground and a base metallization is applied to the side surfaces to form outer electrodes, which contact each second inner electrode.
  • a so-called hot polarization which follows the application of the base metallization, gives the ceramic layers of the piezoelectric actuator a permanent polarization state in order to enable the piezoelectric effect in the ceramic layers.
  • the piezoelectric effect acts on electrical control by the piezoelectric actuator executes a reversible change in length.
  • piezo actuators are so-called high-voltage actuators. Compared to multilayer actuators, these have significantly increased layer thicknesses of greater than or equal to 500 ⁇ m and are thus typically driven to achieve the same electric field strength with electrical voltages of greater than or equal to 1 kV.
  • high-voltage actuators are constructed of individual already sintered ceramic sheets and inner-electrode sheets by stacking and gluing. They are therefore often called stack actuators.
  • stack actuators To avoid mechanical stresses and thereby cracks in the ceramic discs, they must have flat and smooth faces. This can only be achieved by mechanical processing, e.g. Grinding, smoothing, or by high-precision separation of individual slices from a larger block, e.g. reach with a diamond saw.
  • a method of manufacturing a stacked piezoactuator comprises the following steps:
  • One idea of the present invention is to construct a high-voltage piezoactuator made of non-sintered ceramic green bodies and metallization layers arranged therebetween, and then to connect the ceramic green bodies and the metallization layers to one another in a co-sintering process. This eliminates the need for mechanical reworking of individual sintered ceramic discs, which leads to a significantly less complicated production process, and in addition the reliability of the production process can be increased since mechanical stresses can be largely avoided.
  • the inner electrode can be formed by printing one of the ceramic green bodies with conductive material or by arranging a conductive foil between two green bodies.
  • the ceramic raw material may include a binder wherein the raw material is debinded prior to the step of co-sintering by a thermal process. After co-sintering, a hot-polarization process can continue to be carried out.
  • the green ceramic bodies can be made by extruding from ceramic raw material. Alternatively, the green ceramic bodies may be prepared by cutting out of a block of pressed ceramic raw material.
  • Figure 1 is a schematic representation of a Hochvoltpiezoaktors in stack construction
  • FIG. 2 shows a flowchart for illustrating the sequence of the method steps for the production method for producing a piezo actuator in a stacked construction.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a piezoelectric actuator 1 in Stapelended- example.
  • the piezoelectric actuator 1 has two-dimensional ceramic elements 2, between which a conductive layer is introduced.
  • the conductive layer, which is arranged between the ceramic elements 2, constitute the internal electrodes 3 of the piezoactuator 1.
  • the internal electrodes 3 are led outwards to different areas or side surfaces (to the stacking direction of the ceramic elements 2), so that an external electrode 4 applied there contacted every other (in the stacking direction) inner electrode 3.
  • FIG. 2 shows a flow chart for illustrating a method for producing the high-voltage piezoelectric actuator.
  • ceramic green bodies are first produced in step S1.
  • a green ceramic body unsintered ceramic material in a specific form, preferably in stackable disc form called.
  • the shape of the green bodies essentially corresponds to the shape of the ceramic elements 2.
  • the shaping of the green bodies can be produced, for example, by dry pressing of ceramic material or by extruding ceramic material into a shaped body.
  • the ceramic green bodies are not cast from flowable (expensive to produce) raw material, but are produced directly from ceramic raw material as dry mass or as dry mass with binder.
  • the green body are formed, for example, as leaflets or discs with a thickness of 100 .mu.m to 1 mm and an area of 0.2 cm 2 to 1 cm 2 .
  • the green bodies can be produced either as individual elements or in block technology, in which case the individual green bodies have to be cut out of the ceramic block in order to obtain the required green bodies.
  • the ceramic raw material is present, for example, as ceramic powder, to which optionally a binder material can be added in order to obtain sufficient mechanical stability of the not yet sintered green bodies for the subsequent processing steps.
  • step S2 the ceramic green bodies produced in this way are now either printed with conductive material in order to create corresponding internal electrodes, or it is inserted between the ceramic green body, the inner electrodes in the form of conductive films or metal foils and build up a stack structure by alternately stacking (S3) of a ceramic green body and a metal foil.
  • step S4 the stack structure thus obtained is compacted under pressure and elevated temperature into a monolithic body, so that the material of the green bodies and the intermediate conductive material connect to one another.
  • step S5 the compressed stack structure is then optionally debind in a temperature step and then co-sintered and hot polarized.
  • the stacked piezoactuator is not made by using ceramic foils having ceramic material provided with a flow property. Such ceramic films must be cast, which is a relatively complex process step.
  • the method proposed herein contemplates obtaining ceramic green bodies by press molding of ceramic raw material, which have sufficient stability to be stacked with corresponding internal electrodes, which are then compacted and sintered.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stapel-Piezoaktors (1), mit folgenden Schritten: Herstellen (S1) von mehreren keramischen Grünkörpern aus keramischen Rohmaterial; Stapeln (S3) der mehreren keramischen Grünkörpern zu einem Stapelaufbau, wobei zwischen jeweils zwei keramische Grünkörper eine Innenelektrode (3) angeordnet wird;und Co-Sintern (S5) des Stapelaufbaus, um den Stapel-Piezoaktor zu bilden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen eines gestapelten Piezoaktors sowie Piezoaktor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Piezoaktoren, die durch Stapeln von Keramikschichten hergestellt werden.
Stand der Technik
Piezoaktoren sind polarisierte, keramische Bauelemente aus piezoelektrischem Material, die sich bei Anlegen eines elektrischen Felds in Richtung des elektri- sehen Felds ausdehnen. Derartige Piezoaktoren finden in vielen technischen Bereichen Anwendung als Stellelemente. Ein besonderes Anwendungsgebiet stellen die durch piezoelektrische Aktoren angesteuerten Einspritzventile für Kraftstoff in Zylinder von Verbrennungsmotoren dar. Hierbei wird die spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des Piezoaktors zur Positionierung eines Einspritz- ventils genutzt, die den Hub einer Düsennadel des Einspritzventils bewirkt. Ein großer Vorteil der Piezoaktoren besteht darin, dass sie präzise und sehr schnell ausgelenkt werden können und dabei hohe Kräfte ausüben können.
Die für die Ansteuerung des piezoelektrischen Materials benötigten elektrischen Feldstärken sind vergleichsweise hoch, sodass derartige Piezoaktoren als Viel- schichtaktoren ausgebildet werden, um mit bei einer moderaten elektrischen Ansteuerspannungen eine nennenswerte Ausdehnung zu erhalten. Die Vielschich- taktoren umfassen einen Schichtverbund aus dünnen Keramikschichten aus piezoelektrischem Material mit dazwischen liegenden metallischen Innenelektroden. Die Innenelektroden werden wechselseitig nach außen geführt und mit Außenelektroden verbunden, die z.B. seitlich, das heißt längs zur Stapelrichtung, ange- ordnet sind. D.h.. jede zweite Innenelektrode ist mit einer der Außenelektroden und jede dazwischen liegende Innenelektrode mit der entsprechend anderen Außenelektrode verbunden.
Eine übliche Dicke einer Keramikschicht eines Piezoaktors beträgt 100 μm, so- dass bei einer angelegten Steuerspannung von ca. 200 Volt an jeder aktiven Keramikschicht ein elektrisches Feld von ca. 2 kV/mm anliegt. Eine typische Bauform eines derartigen Piezoaktors besteht aus 300 aktiven Keramikschichten mit einer jeweiligen Schichtdicke von 90 μm und einer Ag-Pd-Innenelektrode mit einer Dicke von 2 bis 3 μm.
Für die Serienfertigung von Vielschichtpiezoaktoren werden flexible Keramikfolien mit einer Dicke von ca. 110 μm mit metallischen Innenelektrodenschichten bedruckt aufeinander gestapelt und in einem Laminierprozess bei hoher Temperatur und hohem Druck miteinander verbunden. Anschließend werden aus den aufge- bauten Blöcken eine Vielzahl von quaderförmigen Piezoaktoren ausgesägt. Nach dem Vereinzeln der Piezoaktoren werden diese thermischen Prozessen zunächst zum Entbindern und anschließend zum Sintern unterzogen, wobei zunächst die organischen Bestandteile in dem verwendeten Keramikmaterial ausgetrieben werden, um anschließend bei hoher Temperatur von ca. 1000 0C den Sinterprozess zu starten. Erst bei der Sinterung entsteht ein polykristallines Keramikgefüge bestehend aus Körnern mit statistisch unterschiedlich orientierten Domänen.
Bei obigem Herstellungsprozess werden Keramik und Metall (Innenelektroden) gemeinsam gesintert. Ein derartiger Prozess wird Co-Sintern genannt.
Nach dem Sintern werden die Aktoroberflächen geschliffen und eine Grundmetallisierung auf den Seitenflächen aufgebracht, um Außenelektroden zu bilden, die jeweils jede zweite Innenelektrode kontaktieren. Durch eine so genannte Heißpolarisation, die auf das Aufbringen der Grundmetallisierung folgt, erhalten die Ke- ramikschichten des Piezoaktors einen bleibenden Polarisationszustand, um den Piezoeffekt bei den Keramikschichten zu ermöglichen. Der Piezoeffekt wirkt bei elektrischer Ansteuerung, indem der Piezoaktor eine reversible Längenänderung ausführt.
Anschließend werden auf die Grundmetallisierung noch Außenelektroden aufgebracht und die Mantelflächen des Piezoaktors elektrisch isoliert.
Eine weitere Bauform der Piezoaktoren sind so genannte Hochvoltaktoren. Diese weisen gegenüber Vielschichtaktoren deutlich erhöhte Schichtdicken von größer gleich 500 μm auf und werden somit zum Erreichen der gleichen elektrischen Feldstärke typischerweise mit elektrischen Spannungen von größer gleich 1 kV angesteuert.
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors durch Stapeln von Keramikfolien werden Hochvoltaktoren aus einzelnen bereits gesinterten Keramikscheiben und Innenelektrodenblechen durch Stapeln und Kleben aufgebaut. Sie werden deshalb auch oft Stapelaktoren genannt. Um mechanische Spannungen und dadurch Risse in den Keramikscheiben zu vermeiden, müssen diese ebene und glatte Stirnflächen aufweisen. Dies lässt sich nur durch mechanisches Bearbeiten, wie z.B. Schleifen, Glätten, bzw. durch hochpräzises Trennen einzelner Scheiben aus einem größeren Block z.B. mit einer Dia- mantsäge erreichen.
Eine solche Bearbeitung ist aufwendig und die Ausbeute des Herstellungsverfahrens ist beschränkt, da sich mechanische Spannungen auf die bereits gesinterten Keramikscheiben nicht vollständig vermeiden lassen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Hochvoltpiezoaktors zur Verfügung zu stellen, das weniger aufwendig ist und ins- besondere die Nachteile, die sich durch auftretende mechanische Spannungen ergeben können, vermieden werden. Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors gemäß Anspruch 1 sowie den Piezoaktor gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines Stapel-Piezoaktors vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Herstellen von mehreren keramischen Grünkörpern aus keramischen Rohmaterial; - Stapeln der mehreren keramischen Grünkörpern zu einem Stapelaufbau, wobei zwischen jeweils zwei keramische Grünkörper eine Innenelektrode angeordnet wird;
- Co-Sintern des Stapelaufbaus, um den Stapel-Piezoaktor zu bilden.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hochvoltpiezoaktor aus nicht gesinterten keramischen Grünkörpern und dazwischen angeordneten Metallisierungsschichten aufzubauen und anschließend die keramischen Grünkörper und die Metallisierungsschichten in einem Co-Sinterprozess miteinander zu verbinden. Dadurch entfällt die mechanische Nachbearbeitung von einzelnen gesin- terten Keramikscheiben, was zu einem deutlich weniger aufwendigen Herstel- lungsprozess führt, wobei zudem die Zuverlässigkeit des Herstellungsprozesses erhöht werden kann, da mechanische Spannungen weitgehend vermieden werden können.
Weiterhin kann die Innenelektrode durch Bedrucken eines der keramischen Grünkörpers mit leitfähigem Material oder durch Anordnen einer leitfähigen Folie zwischen zwei Grünkörper gebildet werden. Das keramische Rohmaterial kann einen Binder enthalten, wobei vor dem Schritt des Co-Sinterns durch einen thermischen Prozess das Rohmaterial entbindert wird. Nach dem Co-Sintern kann weiterhin ein Heißpolahsationsprozess durchge- führt werden.
Die keramischen Grünkörper können durch Extrudieren aus keramischen Rohmaterial hergestellt werden. Alternativ können die keramischen Grünkörper durch Heraustrennen aus einem Block aus gepresstem keramischen Rohmaterial herge- stellt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Hochvoltpiezoaktors in Stapelbauweise;
Figur 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Abfolge der Verfahrensschritte für das Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Piezoaktors in Stapelaufbauweise.
Beschreibung von Ausführungsformen
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Piezoaktors 1 in Stapelaufbau- weise dargestellt. Der Piezoaktor 1 weist flächige Keramikelemente 2 auf, zwischen denen eine leitende Schicht eingebracht ist. Die leitende Schicht, die zwischen den Keramikelementen 2 angeordnet ist, stellen die Innenelektroden 3 des Piezoaktors 1 dar. Die Innenelektroden 3 sind wechselseitig zu verschiedenen Bereichen bzw. Seitenflächen (zur Stapelrichtung der Keramikelemente 2) nach außen geführt, so dass eine dort aufgebrachte Außenelektrode 4 jede zweite (in Stapelrichtung) Innenelektrode 3 kontaktiert. Somit kontaktieren die zwei Außenelektroden 4 des Piezoaktors 1 jeweils jede zweite Innenelektrode 3. In Fig. 2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung des Hochvoltpiezoaktors dargestellt.
Zum Aufbau des Hochvoltpiezoaktors werden zunächst in Schritt S1 keramische Grünkörper hergestellt. Als keramischer Grünkörper wird ungesintertes keramisches Material in bestimmter Form, vorzugsweise in stapelbarer Scheibenform, bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht die Form der Grünkörper im Wesentlichen der Form der Keramikelemente 2. Die Formgebung der Grünkörper kann bspw. durch Trockenpressen von keramischem Material bzw. durch Extrudieren von keramischem Material in einen Formkörper hergestellt werden.
Im Unterschied zu dem eingangs beschriebenen Verfahren zum Aufbau eines ge- schichteten Piezoaktors werden die keramischen Grünkörper nicht aus fließfähigem (aufwendig herzustellendem) Rohmaterial gegossen, sondern aus keramischem Rohmaterial als Trockenmasse bzw. als Trockenmasse mit Binder direkt hergestellt. Die Grün körper werden z.B. als Blättchen bzw. Scheiben mit einer Dicke von 100μm bis 1 mm und einer Fläche von 0,2 cm2 bis 1 cm2 ausgebildet.
Die Grünkörper können entweder als einzelne Elemente oder in Blocktechnik hergestellt werden, wobei in letzterem Fall die einzelnen Grünkörper aus dem Keramikblock herausgeschnitten werden müssen, um die benötigten Grünkörper zu erhalten.
Das keramische Rohmaterial liegt bspw. als Keramikpulver vor, dem optional ein Bindermaterial zugesetzt werden kann, um eine ausreichende mechanische Stabilität der noch nicht gesinterten Grünkörper für die nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu erlangen.
In Schritt S2 werden die so hergestellten keramischen Grünkörper nun entweder mit leitfähigem Material bedruckt, um entsprechende Innenelektroden zu schaffen, öder es wird zwischen die keramischen Grünkörper die Innenelektroden in Form von leitfähigen Folien bzw. Metallfolien eingelegt und so ein Stapelaufbau durch wechselweise Stapelung (S3) eines keramischen Grünkörpers und einer Metallfolie aufzubauen.
Anschließend wird in Schritt S4 der so erhaltene Stapelaufbau unter Druck und erhöhter Temperatur zu einem monolithischen Körper verdichtet, so dass sich das Material der Grünkörper und das dazwischen liegende leitfähige Material miteinander verbinden.
In Schritt S5 wird der verdichtete Stapelaufbau anschließend in einem Temperaturschritt gegebenenfalls entbindert und anschließend co-gesintert und heiß polarisiert.
Im Gegensatz zu bislang bekannten Verfahren wird der gestapelte Piezoaktor nicht durch Verwendung von Keramikfolien hergestellt, die Keramikmaterial aufweisen, das mit einer Fließeigenschaft versehen ist. Derartige Keramikfolien müssen gegossen werden, was ein vergleichsweise aufwendiger Prozessschritt ist. Dagegen sieht das hierin vorgeschlagene Verfahren vor, durch Pressformgebung von keramischem Rohmaterial keramische Grünkörper zu erhalten, die eine ausreichende Stabilität aufweisen, um diese mit entsprechenden Innenelektroden in einen Stapelaufbau zu bringen, der anschließend verdichtet und gesintert wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines Stapel-Piezoaktors (1 ), mit folgenden Schritten: - Herstellen (S1 ) von mehreren keramischen Grünkörpern aus keramischen
Rohmaterial;
- Stapeln (S3) der mehreren keramischen Grünkörpern zu einem Stapelaufbau, wobei zwischen jeweils zwei keramische Grünkörper eine Innenelektrode (3) angeordnet wird; - Co-Sintern (S5) des Stapelaufbaus, um den Stapel-Piezoaktor zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Innenelektrode durch Bedrucken (S2) eines der keramischen Grünkörpers mit leitfähigem Material oder durch Anordnen einer leitfähigen Folie zwischen zwei Grünkörper gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das keramische Rohmaterial einen Binder enthält, wobei vor dem Schritt des Co-Sinterns durch einen thermischen Prozess (S4) das Rohmaterial entbindert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nach dem Co-Sintern ein Heißpolarisationsprozess durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die keramischen Grünkörper durch Extrudieren aus keramischem Rohmaterial hergestellt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die keramischen Grünkörper durch Heraustrennen aus einem Block aus gepresstem keramischem Rohmaterial hergestellt werden.
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