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Dokumentenidentifikation DE102005029470B3 14.12.2006
Titel Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Dröse, Gustav, 93059 Regensburg, DE;
Fischer, Bernhard, 84513 Töging, DE
DE-Anmeldedatum 24.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005029470
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 14.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2006
IPC-Hauptklasse H01L 41/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 41/053(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 41/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Multilayer-Aktors mit einem ersten Endstück (2), einem zweiten Endstück (5), einem zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordneten Piezo-Multilayer-Stack (1), der innerhalb einer mit dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück kraftschlüssig verbundenen Rohrfeder (3) angeordnet ist, wird zunächst das erste Endstück (2) mit der Rohrfeder (3) verbunden. Sodann wird der Piezo-Multilayer-Stacks (1) in das Innere der Rohrfeder (3) eingesetzt, eine elektrische Spannung, die umgekehrt zu einer den Piezo-Multilayer-Stack ausdehnenden elektrischen Spannung gepolt ist, angelegt, so dass sich der Piezo-Multilayer-Stack (1) zusammenzieht, und das zweite Endstück (2) mit der Rohrfeder (3) verbunden, währenddessen die elektrische Spannung noch anliegt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Multilayer-Aktors bzw. Piezo-Vielschicht-Aktors aus einem Piezo-Multilayer-Stack bzw. Piezo-Vielschicht-Stapel und einer Rohrfeder.

Piezo-Vielschicht-Aktoren bzw. Piezo-Multilayer-Aktoren, abgekürzt PMA, gewinnen immer mehr an Bedeutung als schnelle Stell- und Schaltantriebe. Der PMA weist dabei eine Rohrfeder auf, die ein aus einer Metallfolie oder Blech durch Rollen und Verschweißen hergestelltes Rohr ist und den aus einer Vielzahl von Piezokeramikschichten bestehenden Piezo-Vielschichtstapel umschließt sowie mit ihrer Federkraft vorspannt. Die axiale Federrate der Rohrfeder wird dabei durch Aussparungen vorgegebener Größe in der Mantelfläche eingestellt. Diese Vorspannung dient dazu, den Piezo-Vielschichtstapel vor Zerstörung durch Beschleunigungskräfte, wenn Spannung an den Piezo-Vielschichtstapel angelegt wird, also vor Biege- und vor allem Zugkräften, zu schützen.

Die Herstellung des PMA erfolgt, indem eine Endkappe mit der Rohrfeder verschweißt wird, der Piezo-Vielschichtstapel eingesetzt wird, sodann die Rohrfeder mechanisch gespannt wird und eine zweite Endkappe aufgeschweißt wird. Wird nun die mechanische Spannung der Rohrfeder entlastet, so spannt die Rohrfeder den Piezo-Vielschichtstapel vor.

Bei derartigen PMA ist die Herstellung der Rohrfeder relativ aufwändig und teuer. Sie erfordert ein Ausstanzen, Rollen, Verschweißen zu einem Rohr mit einer Längsnaht, Reinigen und Kalibrieren. Wegen der ausgestanzten Aussparungen in der Rohrfeder, wie sie beispielsweise aus WO 2004/109818 A1 bekannt sind, ist der PMA außerdem nicht gegenüber den die Rohrfeder umgebenden Medien abgedichtet. Dies ist insbesondere nachteilig, wenn die Medien leitend sind, z.B. bei Kraftstoffen, denen Wasser oder andere leitende Bestandteile z.B. Additive beigefügt sind mit der Folge, dass der Piezo-Vielschichtstapel durch einen Kurzschluss der einzelnen Schichten beschädigt werden kann.

Anstelle einer Rohrfeder mit freigelegten Aussparungen kann für die Rohrfeder auch eine dünne, geschlossene Folie mit entsprechend geringer Federrate verwendet werden. Dies ist jedoch insofern problematisch, als eine dünne Folie beim Vorspannen für das nachfolgende Schweißen der Endkappe relativ leicht reißen kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors zur Verfügung zu stellen, bei dem die aufgezeigten Probleme in einfacher Weise vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist es möglich, eine sehr dünnwandige Rohrfeder mit den Endstücken zu verbinden, ohne dass es notwendig ist, die Rohrfeder mechanisch zu spannen. Dies geschieht in vorteilhafter Weise dadurch, dass an den Piezo-Vielschichtstapel, der in die mit einem ersten Endstück verbundene Rohrfeder eingesetzt ist, eine elektrische Spannung angelegt wird, die umgekehrt zu einer den Piezo-Vielschichtstapel ausdehnenden elektrischen Spannung gepolt ist. Dadurch wird erreicht, so dass sich der Piezo-Vielschichtstapel zusammenzieht, wobei die elektrische Spannung so lange anliegt, bis die Rohrfeder mit einem zweiten Endstück verbunden ist.

Mit Hilfe dieser Maßnahmen kann die Rohrfeder an beiden Enden relativ einfach verschweißt werden, wobei sich durch das Schweißen eine dichte und dauerhafte Verbindung erreichen lässt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass, während die elektrische Spannung anliegt, gleichzeitig die Rohrfeder auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt wird. Durch die Kombination einer spannungsgesteuerten Verkürzung des Piezo-Vielschichtstapels und einer gleichzeitigen Wärmebehandlung der Rohrfeder kann in vorteilhafter Weise eine höhere Vorspannung, bzw. eine kleinere Federrate bei Verwendung einer entsprechend dünnwandigen Rohrfeder erreicht werden.

Soweit es allein die bei der Erfindung ergänzend angewandte Wärme- und Schrumpftechnik betrifft, kann diesbezüglich auf prinzipiell bekannte Verfahren verwiesen werden, z. B. auf ein aus US 3,725,986 bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Energieumformers.

Durch die Verwendung einer aus einer dünnen unterbrechungsfreien Metallfolie gebildeten Rohrfeder wird neben einer geringen Federrate vor allem erreicht, dass der Piezo-Vielschichtstapel insbesondere gegenüber Flüssigkeiten ausreichend abgedichtet ist.

Der Innenraum der gekapselten Rohrfeder kann in vorteilhafter Weise mit einem Isolationsmedium befüllt werden, wodurch sich die Gefahr von Spannungsüberschlägen erheblich verringert.

Der Innenraum der Rohrfeder kann z. B. mit Stickstoff, mit Transformatorenöl oder einem anderen geeigneten Medium befüllt werden. Dadurch kann neben der Isolationswirkung noch ein Abwärmetransport vom Piezo-Vielschichtstapel zur Rohrfeder und an den umgebenden Kraftstoff erreicht werden.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1A1D schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors nach dem Stand der Technik,

2A2D schematisch ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors,

3 ein Weg-Spannungs-Diagramm eines Piezo-Vielschichtstapels und

4A2E schematisch ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors.

Die 1A1D zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Mulilayer-Aktors nach dem Stand der Technik. In 1A wird ein Piezo-Multilayerstack 1 in eine bereits mit einem ersten Endstück 2 verbundene Rohrfeder 3 eingesetzt. Im nächsten Schritt gemäß 1B wird die mit dem ersten Endstück 2 verbundene Rohrfeder 3 mit Hilfe geeigneter Spannmittel 4, verdeutlicht durch die Pfeile, vorgespannt, ohne dass auf den Piezo-Multilayerstack 1 Kräfte ausgeübt werden. Im nächsten Schritt gemäß 1C wird ein zweites Endstück 5 am anderen Ende der Rohrfeder 3 aufgesetzt und mit der Rohrfeder 3 verschweißt. Währenddessen halten die Spannmittel 4 die Vorspannung der Rohrfeder 3. Schließlich werden gemäß 1D die Spannmittel 4 von der Rohrfeder 3 gelöst, so dass die Rohrfeder 3 einen axialen Druck auf den Piezo-Multilayerstack 1 ausübt.

2A2D zeigen schematisch ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Multilayer-Aktors. Gegenüber dem in den 1A1C dargestellten Verfahren gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. In 2A wird ein Piezo-Multilayerstack 1 in eine bereits mit einem ersten Endstück 2 verbundene Rohrfeder 3 eingesetzt. Im nächsten Verfahrensschritt gemäß 2B wird durch eine an Anschlussleitungen 6 des Piezo-Multilayerstacks 1 angelegte elektrische Spannung, die entgegengesetzt zu der normalen Polung im Betrieb des Piezo-Multilayerstacks 1 gepolt ist, erreicht, dass sich der Piezo-Multilayerstack 1 zusammenzieht. Dies ist in 2B stark überhöht dargestellt und durch den Doppelpfeil verdeutlicht. Im nächsten Schritt gemäß 2C wird die mit dem ersten Endstück 2 verbundene Rohrfeder 3 am anderen Ende mit einem zweiten Endstück 5 verbunden und verschweißt, ohne dass die Rohrfeder 3 hierzu gespannt werden muss. Währenddessen liegt an den Anschlussleitungen 6 umgekehrt zur normalen Polung die elektrische Spannung an. Im letzten Verfahrensschritt gemäß 2D wird die umgekehrt gepolte elektrische Spannung. abgeschaltet mit der Folge, dass sich der Piezo-Multilayer-Stack 1 ausdehnt und sich an den beiden Endstücken 2, 5 abstützt. Dadurch wird die Rohrfeder 3 gespannt, bis die Spannkraft der Rohrfeder 3 und die Ausdehnungskraft des Piezo-Multilayer-Stacks im Gleichgewicht sind.

In 3 ist schematisch ein Spannungs-Weg-Diagramm für eine Piezokeramik, bzw. einen Piezo-Multilayer-Stack dargestellt. Dargestellt ist eine Hysteresekurve mit Umpolung, die die Form eines "Schmetterlings" zeigt. Auf der X-Achse ist die angelegte elektrische Spannung U, auf der Y-Achse die relative Längenänderung &Dgr;s des Piezo-Multilayer-Stacks aufgetragen. Nach der Startlinie, die gestrichelt dargestellt ist, wird die Hysteresekurve, ausgehend von einem Punkt P1, in Richtung der Pfeile durchlaufen: Beim tiefsten Punkt des "Schmetterlings", hier als erster ein Punkt P2 in der Durchlaufrichtung, beginnen die Domänen umzuklappen und der Piezo-Multilayer-Stack wird umgepolt. Unmittelbar davor wird die maximale Kontraktion erreicht. Erreichbare Werte für die Kontraktion sind temperaturabhängig und betragen bei 150°C ca. 40&mgr;m und bei 20°C ca. 70&mgr;m Verkürzung an diesem Umkehrpunkt, bevor die Umpolung beginnt. Über die Temperatur des Piezo-Multilayer-Stacks besteht somit noch eine weitere Möglichkeit, bei gleicher umgepolter Spannung das Maß der Verkürzung zu regeln. Wenn ein Arbeitsbereich D1 der Bereich der normalen Ausdehnung in einem positiven Spannungsbereich U1 ist, so kann der Piezo-Multilayer-Stack in einem negativen Spannungsbereich U2 in einem Verkürzungsbereich D2 bei Anlegen einer negativen Spannung zwischen 0 und dem negativen Wert U2, zu einem entsprechenden Zusammenziehen um eine Strecke innerhalb des Verkürzungsbereichs D2 gebracht werden. Hierzu muss das Verfahren zwischen den Punkten P1 und P2 des Diagramms ablaufen und der Punkt P2 mit seiner entsprechenden negativen Spannung darf nicht unterschritten werden, da sonst eine Umpolung eintritt und bei noch stärkerer negativer Spannung eine starke Längsausdehnung auftritt und der "linke Flügel des Schmetterlingsdiagramms" durchlaufen wird. Dabei ist eine Hysterese in dem Arbeitsbereich ohne eine Umpolung auftritt, nicht eingezeichnet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch Rohrfedern 3 aus dünnen Folien ohne Beschädigungen geschweißt werden, da die Rohrfeder 3 während des Schweißens nicht mechanisch belastet ist. Mögliche Foliendicken liegen bei Stahl bei ca. 25&mgr;m bis 125&mgr;m. So kann mit einfachen Methoden ein dichter Piezo-Multilayer-Aktor hergestellt werden. Die Rohrfeder kann als Massenprodukt einfach hergestellt und ebenso einfach auf die gewünschte Länge abgelängt werden.

Wenn die Schweißung bei einer Verkürzung des Piezo-Multilayer-Stack nahe dem Punkt P2 in 3 erfolgt, besteht im späteren Betrieb die Möglichkeit, auch mit negativen Spannungen zuarbeiten, da der Piezo-Multilayer-Aktor, abgekürzt PMA, auch dann noch vorgespannt ist. Der PMA wird dann im Betrieb auch verkürzt, um mehr nutzbaren Hub zu gewinnen. Wenn z.B. der PMA bei 20 °C und minus 80 V geschweißt wird und die Verkürzung ca. 70 &mgr;m beträgt und er bis zu einer Spannung von minus 30 V betrieben wird, so ergibt sich ein Verkürzungshub von ca. 20 pm. Da der Piezo-Multilayer-Stack beim Verschweißen mindestens 50 &mgr;m kürzer war, ist er jedoch immer noch vorgespannt.

Eine dichte Rohrfeder 3 aus einer dünnen Metallfolie hat den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Dichtung des Piezo-Multilayer-Stack verzichtet werden kann. Der PMA kann bei seinem Einsatz direkt von Kraftstoff umspült und so auf einfache Weise gekühlt werden. Durch eine Füllung der Rohrfeder 3 im Inneren mit einem Wärmetransportmedium, wie etwa Transformatorenöl, kann die Kühlwirkung weiter verbessert werden.

4A2E zeigen schematisch ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Multilayer-Aktors. Zu dem in den 1A1C dargestellten Verfahren gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. In 4A wird ein Piezo-Multilayer-Stack 1 in eine bereits mit einem ersten Endstück 2 verbundene Rohrfeder 3 eingesetzt. Im nächsten Schritt, der in 4B dargestellt ist, wird durch eine an Anschlussleitungen 6 des Piezo-Multilayer-Stacks 1 angelegte elektrische Spannung, die entgegengesetzt zu der normalen Polung im Betrieb des Piezo-Multilayer-Stacks 1 gepolt ist, erreicht, dass sich der Piezo-Multilayer-Stack 1 zusammenzieht. Dies ist in 4B stark überhöht dargestellt und durch den Doppelpfeil verdeutlicht. Im nächsten Schritt in 4C wird zusätzlich die Rohrfeder 3 durch Infrarotstrahlung aufgeheizt, verdeutlicht durch die beiden Wellenpfeile. Durch die Wärmeausdehnung verlängert sich die Rohrfeder 3, verdeutlicht durch den Pfeil in 4C. Durch die geringe Wärmekapazität der aus einer dünnen Metallfolie bestehenden Rohrfeder 3 werden dabei das erste Endstück 2 und der Piezo-Multilayer-Stack 1 nur gering erwärmt. Im folgenden Schritt gemäß 4D wird die mit dem ersten Endstück 2 verbundene Rohrfeder 3 mit einem zweiten Endstück 5 verbunden und verschweißt, ohne dass die Rohrfeder 3 hierzu mechanisch gespannt werden muss. Währenddessen liegt an den Anschlussleitungen 6 die umgekehrt zur normalen Polung gepolte elektrische Spannung an und gleichzeitig wird die Rohrfeder 3 durch Infrarotstrahlung auf einer hohen Temperatur gehalten. In 4E wird nach dem Verschweißen des zweiten Endstücks 5 mit der Rohrfeder die elektrische Spannung abgeschaltet sowie die Rohrfeder 3 abgekühlt. Der Piezo-Multilayer-Stack 1 dehnt sich aus, stützt sich an den beiden Endstücken 2, 5 ab und spannt die sich durch das Abkühlen wieder verkürzende Rohrfeder 3, bis die Spannkraft der Rohrfeder 3 und die Ausdehnungskraft des Piezo-Multilayer-Stacks im Gleichgewicht sind. Durch dieses zweite erfindungsgemäße Verfahren kann die Vorspannung der Rohrfeder 3 des PMA weiter erhöht werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Vielschicht-Aktors mit einem ersten Endstück (2), einem zweiten Endstück (5), einem zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordneten Piezo-Vielschichtstapel (1), der innerhalb einer mit dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück kraftschlüssig verbundenen Rohrfeder (3) angeordnet ist, mit den Schritten:

– Verbinden des ersten Endstücks (2) mit der Rohrfeder (3),

– Einsetzen des Piezo-Vielschichtstapels (1) in das Innere der Rohrfeder (3),

– Anlegen einer elektrischen Spannung, die umgekehrt zu einer den Piezo-Vielschichtstapel ausdehnenden elektrischen Spannung gepolt ist, so dass sich der Piezo-Vielschichtstapel (1) zusammenzieht,

– Verbinden des zweiten Endstücks (2) mit der Rohrfeder (3) während die elektrische Spannung anliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig zur angelegten elektrischen Spannung an den Piezo-Vielschichtstapel (1) die Rohrfeder (3) so erwärmt wird, dass sie sich ausdehnt, und dass das zweite Endstück (5) mit der Rohrfeder (3) verbunden wird, während die Rohrfeder (3) eine hohe Temperatur aufweist. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrfeder (3) durch Infrarotstrahlung erwärmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erstes und/oder zweites Endstück (2, 5) mit der Rohrfeder (3) verschweißt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohrfeder (3) aus einer dünnen, keine Öffnungen aufweisenden Metallfolie verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum der Rohrfeder nach dem Verbinden des zweiten Endstücks mit einem Isolationsmedium befüllt wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum der Rohrfeder mit Stickstoff befüllt wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum der Rohrfeder mit Transformatorenöl befüllt wird.






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