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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Betätigungsorgans,
das für
eine Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem für Verbrennungskraftmaschinen
geeignet ist. Das Verfahren beinhaltet die Polung eines ferro-elektrischen Gegenstandes
zur Induzierung einer Hauptpiezoelektrizität und eine dann nachfolgende
Implementierung des Gegenstandes in das Betätigungsorgan.
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In
einem piezoelektrischen Kristall wird beim Anlegen eines elektrischen
Feldes an gegenüber
liegende Flächen
des Kristalls eine mechanische Spannung oder Kraft erzeugt. Wenn
das angelegte Feld entfernt wird, kehrt die Struktur des Kristalls
in ihre ursprüngliche
Gestalt zurück.
Anorganische Materialien sind ausschließlich in ihrer einkristallinen
Form in natürlicher
Weise piezoelektrisch, wohingegen die einzelnen Kristalle in einem
polykristallinen Gegenstand gewöhnlicherweise
nach der Herstellung zufällig
orientiert sind. Obwohl die einzelnen Kristalle eine piezoelektrische
Kopplung zeigen, zeichnet sich aufgrund eines Mangels an einer insgesamten
Vorzugsorientierung in der Materialmasse kein piezoelektrischer
Effekt ab. Bevor derartige polykristalline Gegenstände beispielsweise
für die
Herstellung von Betätigungsorganen
eingesetzt werden können,
ist es daher notwendig, das Material zu polarisieren, um die Dipole
auszurichten und damit eine Kristallgitterstruktur mit einer Vorzugsachse
zu erzeugen.
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In
einem ferro-elektrischen Kristall kann eine permanente kristallographische
Rückorientierung durch
Anlegen eines ausreichend starken elektrischen Feldes an gegenüber liegenden
Seiten des Kristalls (d.h. durch ein Polarisieren des Kristalls) hervorgerufen
werden. Eine ferro-elektrische Polarisierung ist in 1 dargestellt,
wobei die elektrischen Dipolmomente 10 eines ferro-elektrischen,
polykristallinen Gegenstandes 12 vor der Polarisierung (a),
während
der Polarisierung (b) und nach der Polarisierung (c) gezeigt sind.
Die zum Hervorrufen einer permanenten kristallographischen Rückausrichtung
und Dipolrückorientierung
erforderliche minimale elektrische Feldstärke wird als Koerzitivfeldstärke bezeichnet.
Wenn die Koerzitivfeldstärke überschritten
wurde, werden die ferro-elektrischen Dipole 10 ausgerichtet
(1(c)). Die während der Polarisierung stattfindende
permanente kristallographische Rückorientierung
verursacht eine kleine, aber signifikante Änderung in der Gestalt des
Gegenstandes, die eine Verlängerung
in Richtung der Feldachse und eine Einschnürung senkrecht zu dieser umfasst.
Dieses wird als ferroelektrische Formänderung bezeichnet. Nach der
zuvor erläuterten
kristallographischen Rückorientierung
bildet das Material eine Hauptpiezoelektrizität aus. Im polarisierten Zustand
ruft das Aufbringen eines weiteren angelegten Feldes einer Änderung
der Form hervor, die als piezoelektrische Formänderung bekannt ist (wie zuvor
beschrieben wurde). Diese dauert nur an, solange das elektrische Feld
angelegt ist.
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2 zeigt,
dass das piezoelektrische Material des Dipols 10a entlang
der Polarisierungsachse gestreckt wird, wenn das zusätzliche
an dem ferroelektrischen Gegenstand 12 angelegte elektrische Feld
von gleicher Polarität
wie das Polarisierungsfeld ist. Unter diesen Umständen streckt
sich das piezoelektrische Material entlang der Feldachse und schnürt sich
senkrecht zu dieser ein (siehe 2(a)). Falls
das zusätzliche
angelegte elektrische Feld eine dem Polarisierungsfeld entgegengesetze
Polarität besitzt,
wird der piezoelektrische Dipol 10b dazu gebracht, sich
entlang der Polarisierungsachse zusammenzuziehen. Unter derartigen
Umständen
schnürt sich
das piezoelektrische Material entlang der Feldachse ein und dehnt
sich senkrecht zu dieser aus (siehe 2(b)).
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Das
Hervorrufen einer piezoelektrischen Formänderung wird in piezoelektrischen
Betätigungsorganen
genutzt, wie sie in Einspritzsystemen für Kraftstoff verwendet werden.
Derartige Betätigungsorgane
beinhalten gewöhnlicherweise
einen Stapel piezoelektrischer Elemente, an denen ein elektrisches
Feld angelegt wird, um während
des Gebrauches eine Kontraktion oder Dehnung des piezoelektrischen
Betätigungsorgans
zu verursachen. Die Dehnung (oder die Kontraktion) des Stapels wird
verwendet, um eine Betätigungskraft
direkt oder indirekt auf eine mechanische Komponente, beispielsweise ein
Ventilelement zum Zwecke der Steuerung einer Kraftstoffeinspritzung,
aufzubringen. Ein Einspritzventil der zuvor beschriebenen Art wird
in unserer ebenfalls anhängigen
Patentanmeldung
EP
0 995 901 A1 beschrieben.
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Für eine Polarisierung
von ferroelektrischen Gegenständen
mit einer signifikanten Stärke
sind verhältnismäßig große Polarisierungsspannungen erforderlich.
Die Polarisierung derartiger Materialien erfordert Spannungen im
Bereich von 1-2 kV/mm, weshalb schon ein Gegenstand mit einer Stärke von nur
1 cm eine Anwendung von Spannungen zwischen 10 und 20 kV erfordert.
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Bei
piezoelektrischen Gegenständen
sind oftmals auch ähnliche
Feldstärken
erforderlich, um das bei Betätigungsorganen
von Einspritzsystemen für
Kraftstoff erforderliche Maß der
Dehnung und Kontraktion zu erzeugen. Solche hohen Spannungen erfordern
die Bereitstellung einer kostenintensiven Elektronik. Des Weiteren
ist es nicht gewünscht,
derartige hohe Spannungen in einem Kraftfahrzeug zu verwenden.
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Um
die erforderlichen Polarisierungsspannungen zu verringern, wurden
ferroelektrische Gegenstände
aus zahlreichen Schichten mit piezoelektrischen Eigenschaften in
einer Hauptrichtung entwickelt. 3 zeigt,
dass eine vielschichtige Struktur 14 aus einer Vielzahl
von verhältnismäßig dünnen piezoelektrischen
Schichten 16 ausgebildet ist, von denen jede von ihren
benachbarten Schichten durch eine innenliegende Elektrode einer
Gruppe von innen liegenden Elektroden 18a oder 18b beabstandet
ist. Die innen liegenden Elektroden sind zur Ausbildung der beiden
Elektrodensätze 18a, 18b abwechselnd
in Gruppen zusammengefasst, so dass die Elektroden des einen Satzes 18a mit
den Elektroden des anderen Satzes 18b fingerartig ineinander
greifen. Die innen liegenden Elektroden jedes Satzes sind mittels erster
und zweiter außen
liegender Elektroden 20a, 20b miteinander verbunden.
Durch Erzeugen einer derartigen vielschichtigen Struktur, die beispielsweise
einen Elektrodenabstand von ungefähr 100 μm aufweist, kann durch eine
angelegte Spannung von 200 V ein elektrisches Feld von ungefähr 2 kV/mm
erhalten werden. Auf Grund der wechselnden Polarität des innen
liegenden elektrischen Feldes wechselt die Polarisierungsrichtung
in der piezoelektrischen vielschichtigen Struktur über die
gesamte Struktur hinweg, wie in 4 dargestellt
ist.
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Obwohl
es die Verwendung von vielschichtigen Strukturen möglich macht,
verringerte Polarisierungsspannungen einzusetzen, bestehen Probleme hinsichtlich
der Ausgestaltung der Elektrode, um eine solche Struktur zu erhalten.
Zunächst
müssen
die beiden in- und miteinander verschränkten Sätze der innen liegenden Elektroden 18a, 18b voneinander isoliert
sein, um einen Kurzschluss zu verhindern und das Anlegen eines elektrischen
Feldes über
das ineinander verschränkte
Material hinweg zu ermöglichen.
Die Isolierung der verschränkten
Elektroden wird gewöhnlicherweise
durch einen Abschluss (ein Ende) der Elektrodenschichten kurz vor
der entgegengesetzten Polarität
der außen
liegenden Elektrode erreicht (d.h. die innen liegenden Elektroden 18a enden kurz
vor den außen
liegenden Elektroden 20b und umgekehrt). Wie in 5 dargestellt
ist, kann ein Ferroelektrikum allerdings nur polarisiert werden, wenn
es dem elektrischen Koerzitivfeld ausgesetzt ist, wobei unvollständige Schichten
der inneren Elektrode daher angrenzend an die außen liegenden Elektroden 20a, 20b Bereiche 22 eines
nicht polarisierten Materials erzeugen (schraffiert dargestellt). Dieses
führt zu
einer Unstetigkeit der ferroelektrischen Formänderung zwischen den Bereichen
des polarisierten und des nicht polarisierten Materials, wodurch
das nicht polarisierte Material unter Zug und das polarisierte Material
unter Druck gesetzt wird. Im Ergebnis neigt das polarisierte Material
dazu, zu brechen, während
das nicht polarisierte Material dazu neigt, das anliegende polarisierte
Material einzuspannen, wobei eine Deformation der vielschichtigen Struktur
verursacht wird.
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Um
unerwünschte "Oberflächenüberschlags"-Effekte zu vermeiden,
die auftreten, wenn die innen liegenden Elektroden 18a, 18b auf
die freie Oberfläche
der Gegenstände
treffen, sind zweitens die innen liegenden Elektroden 18a, 18b eingegraben
bzw. verborgen, indem sie kurz vor der freien Oberfläche abschließen. Dies
führt wiederum
zu einem Bereich, in dem die Keramik unpolarisiert bleibt (d.h.
einem Bereich unmittelbar unter der freien Oberfläche, der
gewöhnlicherweise
eine Breite von einigen hundert Mikrometern besitzt), was zu Unstetigkeiten
der ferroelektrischen Formänderung
zwischen den polarisierten und den nicht polarisierten Bereichen
führt.
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Eine
bekannte Weise zur Verhinderung von Oberflächenüberschlägen bei gleichzeitiger Vermeidung
einer Verwendung von verborgenen oder eingegrabenen innen liegenden
Elektroden ist, eine Art von Passivierung auf die Oberfläche der
Gegenstände
aufzubringen, wie beispielsweise eine Polymerumhüllung mit einer verhältnismäßig großen Durchschlagfestigkeit.
Dieses ermöglicht
eine Teillösung; allerdings
verbleibt ein nicht polarisierter Bereich der Keramik hinter den
außen
liegenden Elektroden 20a, 20b, um die beiden Sätze der
innen liegenden Elektroden 18a und 18b zu isolieren.
Die äußersten
piezoelektrischen Schichten 40a, 40b, die die
Endflächen
der vielschichtigen Struktur 14 bilden, liegen nicht zwischen
zwei innen liegenden Elektroden, weshalb sie während der Polarisierung nicht
dem Koerzitivfeld ausgesetzt sind. Die äußersten piezoelektrischen Schichten 40a, 40b verbleiben
daher unpolarisiert.
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Es
ist bekannt, eine Polarisierungsspannung an einem vielschichtigen
ferroelektrischen Block anzulegen, um die Piezoelektrizität in den
Block als Ganzes einzubringen. Nach dem Polarisieren wird der Block
dann geteilt oder in einzelne Gegenstände geschnitten. Die
US 6 356 008 beschreibt
beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Resonatorvorrichtung
mit einem piezoelektrischen Körper,
indem zur Einbringung einer Piezoelektrizität in einen piezoelektrischen
Block ein zweiphasiges Polarisierungsverfahren angewendet wird.
Die Elektroden werden nachfolgend von dem Block entfernt, der auf die
entsprechende Größe zugeschnitten
wird, um die letztendliche Resonatorvorrichtung herzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Betätigungsorgans für einen
Einspritzventil-Anordnung geschaffen, wobei das Verfahren aufweist:
ein
Bereitstellen eines Blockes aus ferroelektrischem Material,
ein
Verkürzen
und/oder Ausformen des Blockes zu einer Endgröße, um einen ferroelektrischen
Gegenstand zu schaffen, der im Betrieb ein aktives Element des Betätigungsorgans
bildet, wobei der ferroelektrische Gegenstand eine erste und eine
zweite Endfläche,
die einander gegenüber
liegen, eine erste und eine zweite Seitenfläche, die einander gegenüber liegen,
und einen Stapel ferroelektrischer Schichten aufweist, wobei benachbarte
Schichten durch eine (einzelne) einer Vielzahl von innen liegenden
Elektroden voneinander getrennt sind, die im wesentlich parallel
zu den Endflächen
des Gegenstandes angeordnet sind,
nachfolgend auf den Verkürzungs-
und/oder Ausformungs-Schritt ein Anbringen einer primären außen liegenden
Elektrodenanordnung an der ersten und der zweiten Endfläche des
Gegenstandes,
ein Anlegen einer primären Polungsspannung an die primäre außen liegende
Elektrodenanordnung, um im Wesentlichen den gesamten ferroelektrischen
Gegenstand entlang einer einzigen, ersten Polarisationsachse in
einer ersten Polarisationsrichtung zu polarisieren,
ein Anbringen
einer bleibenden, sekundären,
außen liegenden
Elektrodenanordnung an den Seitenflächen des Gegenstandes derart,
dass die sekundäre, außen liegende
Elektrodenanordnung mit den innen liegenden Elektroden in Kontakt
gelangt,
ein Anlegen einer sekundären Polungsspannung an die
sekundäre
Elektrodenanordnung, um im Wechsel die einen ferroelektrischen Schichten
entlang im wesentlichen der ersten Polarisationsachse in der ersten
Polarisationsrichtung zu polarisieren, während die anderen ferroelektrischen
Schichten entlang einer zweiten, gegenläufig gerichteten Polarisationsachse
polarisiert werden,
so dass im Wesentlichen der gesamte Gegenstand polarisiert
wird, während
Unstetigkeiten der ferroelektrischen Formänderung über den gesamten Gegenstand
vermieden werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist vorteilhaft, da es Unstetigkeiten der ferroelektrischen Formänderung
in dem Bereich des Gegenstandes benachbart zu den sekundären Elektroden
an den Seitenflächen
vermeidet. Bei einer Verwendung von herkömmlichen Polarisierungstechniken
verbleibt dieser Bereich des Gegenstandes unpolarisiert, wobei die sich
daraus zwischen diesem und dem inneren polarisierten Bereich des
Gegenstandes ergebende Unstetigkeit der ferroelektrischen Formänderung
ein Brechen des nicht polarisierten Bereiches verursachen kann.
Die Verwendung einer vielschichtigen Struktur ermöglicht außerdem eine
Verwendung von verminderten Polarisierungsspannungen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Schritt des Anlegens der primären Polarisierungsspannung
vor dem Schritt des Anlegens der sekundären Polarisierungsspannung
ausgeführt.
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Das
Verfahren beinhaltet vorzugsweise ein Bereitstellen eines ferroelektrischen
Gegenstands, in welchem die innen liegenden Elektroden in einem ersten
und einem zweiten Satz von ineinander greifenden Elektroden gruppiert
sind, wobei jeder Satz eine Mehrzahl von innen liegenden Elektroden
aufweist.
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Das
Verfahren beinhaltet vorzugsweise ein Anlegen einer sekundären Polarisierungsspannung an
die sekundäre
Elektrodenanordnung, um abwechselnd ferroelektrische Schichten innerhalb
der Bereiche des Gegenstandes, die zwischen den innen liegenden
Elektroden der unterschiedlichen Sätze angeordnet sind, zu polarisieren,
wobei die ferroelektrischen Schichten abwechselnd (d. h. jede zweite Schicht)
im wesentlichen entlang der ersten Polarisierungsachse in der ersten
Polarisierungsrichtung polarisiert werden, während die anderen der ferroelektrischen
Schichten entlang einer zweiten, gegenläufig gerichteten Polarisationsachse
polarisiert werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet das Verfahren ein Bereitstellen einer sekundären, außen liegenden
Elektrodenanordnung mit einer ersten außen liegenden Elektrode, die
an einer der Seitenflächen
angebracht wird, und einer zweiten außen liegenden Elektrode, die
auf der gegenüber
liegenden Seitenfläche
angebracht wird, wobei die innen liegenden Elektroden des ersten
Satzes innerhalb des Gegenstandes an ersten Abschlußenden abschließen, die
zusammen mit einer ersten Elektrode der sekundären außen liegenden Elektrodenanordnung
einen ersten Kantenbereich des Gegenstandes ausbilden, und wobei
die innen liegenden Elektroden des zweiten Satzes innerhalb des Gegenstandes
an zweiten Abschlußenden
abschließen,
die zusammen mit einer zweiten Elektrode der sekundären außen liegenden
Elektrodenanordnung einen zweiten Kantenbereich des Gegenstandes ausbilden.
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Das
Polarisierungsverfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht den
Vorteil, dass der erste und der zweite Kantenbereich des Gegenstandes während des
primären
Polarisierungszustandes polarisiert wird, wohingegen diese Bereiche
bei einer Verwendung herkömmlicher
Techniken unpolarisiert verbleiben und innerhalb des Gegenstandes
Unstetigkeiten der ferroelektrischen Formänderung hervorrufen.
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Das
Verfahren beinhaltet vorzugsweise ein Entfernen der primären, außen liegenden
Elektrodenanordnung von dem Gegenstand, bevor die sekundäre, außen liegende
Elektrodenanordnung angebracht wird.
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In
einer Ausführungsform
beinhaltet das Verfahren ein Anbringen einer leitfähigen Folie
auf der ersten und der zweiten Endfläche, um erste und zweite primäre, außen liegende
Elektroden der primären,
außen
liegenden Elektrodenanordnung bereitzustellen. Alternativ kann das
Verfahren ein Einsetzen des Gegenstandes zwischen eine zuvor installierte
primäre,
außen
liegende Elektrodenanordnung derart beinhalten, dass eine erste
und eine zweite primäre
Elektrode in Kontakt mit der ersten bzw. der zweiten Endfläche des
Gegenstandes gelangen. Dieses ist vorteilhaft, da die primäre, außen liegende
Elektrodenanordnung für
andere ferroelektrische Gegenstände
wiederverwendet werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
können
der Gegenstand und die primäre
Elektrodenanordnung für
die Dauer des Aufbringens der primären Polarisierungsspannung
auf die primäre,
außen
liegende Elektrodenanordnung in ein dielektrisches Fluid getaucht
werden, wodurch ein Zusammenbruch verhindert wird, der an der Luft
anderenfalls auftreten kann.
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Die
Entfernung des dielektrischen Fluids von den Oberflächen des
Gegenstandes und/oder von der primären, außen liegenden Elektrodenanordnung wird über eine
Verdampfung erreicht. Diese kann durch ein Aufbringen eines Erwärmungseffektes
auf den Gegenstand unterstützt
werden. Es ist wichtig, dass sich bei jeder derart aufgebrachten
Erwärmung die
Temperatur des ferroefektrischen Materials nicht dessen Curie-Temperatur
annähern
darf.
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Das
Verfahren kann beispielsweise bei der Polarisierung eines ferroelektrischen
vielschichtigen Gegenstandes verwendet werden, der für eine Eingliederung
in ein piezoelektrisches Betätigungsorgan für ein Einspritzventil
geeignet ist; es sollte jedoch klar sein, dass das Verfahren zur
Polarisierung gleichfalls vorteilhaft mit jedem beliebigen ferroelektrischen
vielschichtigen Gegenstand verwendet werden kann.
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Die
primäre
Spannung ist bei einem weiteren Beispiel gewöhnlicherweise nicht größer als
4 kV, während
die sekundäre
Spannung gewöhnlicherweise
nicht größer als
200 V ist.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen
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1 elektrische
Dipolmomente in einer ferroelektrischen Keramik (a) vor der Polarisierung,
(b) während
der Polarisierung und (c) nach der Polarisierung zeigt,
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2 die
piezoelektrische Formänderung nach
der Polarisierung für
ein angelegtes elektrisches Feld mit (a) einer dem Polarisierungsfeld
gleichenden Polarität
und mit (b) einer dem Polarisierungsfeld entgegen gesetzten Polarität zeigt,
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3 eine
bekannte ferroelektrische vielschichtige Struktur mit einer Mehrzahl
von Schichten und zwei Sätzen
von ineinander greifenden Elektroden zeigt,
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4 die
vielschichtige Struktur der 3 zeigt
und erläutert,
wie unter Verwendung eines bekannten Verfahrens der Polarisierung
die Richtung der Polarisierung mit der wechselnden Polarität der innen
liegenden Elektrode über
die Struktur hinweg wechselt,
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5 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils der vielschichtigen Struktur der 3 und 4 nach
dem Polarisieren unter Verwendung einer bekannten Technik ist,
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6 eine
vielschichtige piezoelektrische Struktur vor dem Polarisieren mit
dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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7 einen
anfänglichen
Schritt des Verfahrens zur Polarisierung gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt, und
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8 einen
weiteren Schritt des Verfahrens zur Polarisierung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Es
hat sich herausgestellt, dass es keine Unstetigkeiten der ferroelektrischen
Formänderung
geben würde,
falls im wesentlichen das gesamte Material eines piezoelektrischen
vielschichtigen Gegenstandes polarisiert werden könnte, und
so die nachteiligen Effekte einer Bruchbeschädigung und eines Verklemmens
der polarisierten/nicht polarisierten Bereiche vermieden werden
würden. 6 zeigt,
dass die vielschichtige Verbundstruktur 14 aus einem Stapel
von Schichten 16 ausgebildet ist, die aus einem einen piezoelektrischen
Effekt ausübenden
ferroelektrischen Material gebildet sind, wobei, wie zuvor beschrieben
wurde, benachbarte Schichten 16 abwechselnd durch Elektroden
des innen liegenden Elektrodensatzes 18a, 18b voneinander
beabstandet sind. Die innen liegenden Elektroden 18a, 18b sind im
wesentlichen parallel zu vorderen und rückwärtigen Endflächen 23 des
Gegenstandes 14 angeordnet und erstrecken sich zu einer
anderen als der ersten und der zweiten gegenüberliegenden Seitenfläche 21 des
Gegenstandes 14. Der vielschichtige Gegenstand 14 ist
gesintert und unter Verwendung herkömmlicher Techniken auf seine
letztendlichen Abmessungen bearbeitet.
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7 zeigt,
dass erste und zweite temporäre außen liegende
Primärelektroden 24a, 24b an
den vorderen bzw. den rückwärtigen Flächen 23 des
Gegenstandes 14 befestigt sind, wobei die primären Elektroden 24a, 24b im
wesentlichen parallel zu den innen liegenden Elektroden 18a, 18b angeordnet sind.
Die primären
außen
liegenden Elektroden 24a, 24b können durch
Anbringen eines leitenden Anstrichs auf die offen liegenden endseitigen
Flächen des
Gegenstandes 14 geschaffen sein.
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In
dem primären
Polarisierungszustand wird eine primäre Polarisierungsspannung über die
primären,
außen
liegenden Elektroden 24a, 24b angelegt, um den
gesamten vielschichtigen Gegenstand 14 entlang einer einzigen
Polarisationsachse 26 in einer ersten Polarisationsrichtung
zu polarisieren, einschließlich
der Bereiche 28 des ferroelektrischen Materials, die nicht
zwischen den innen liegenden Elektroden 18a, 18b von
entgegen gesetzter Polarität
liegen. Falls der vielschichtige Gegenstand 14 beispielsweise
eine Stärke
von 2 mm besitzt und das erforderliche Polarisierungsfeld ungefähr 2 kV/mm
beträgt,
muss auf die primären
Elektroden 24a, 24b während des primären Polarisierungszustandes
eine Spannung von 4 kV angelegt werden. Um während des primären Polarisierungszustandes
einen Zusammenbruch an der Luft zu verhindern, kann der Gegenstand 14 einschließlich der
außen
liegenden Elektroden 24a, 24b in ein dielektrisches
Fluid eingetaucht werden. Das dielektrische Fluid besitzt vorzugsweise
einen relativ niedrigen oder mäßigen Siedepunkt,
so dass Spuren des Fluids auf der äußeren Oberfläche der
Struktur 14 nach der primären Polarisierungsphase durch
Verdampfung entfernt werden. Falls es erforderlich ist, kann ein
Erwärmungseffekt auf
den Gegenstand 14 angewendet werden, um die Verdampfung
des dielektrischen Fluids zu unterstützen, obwohl eine derart angewendete
Erwärmung nicht
verursachen darf, dass die Temperatur des Gegenstandes 14 sich
der Curie-Temperatur annähert. Als
einen letzten Schritt in der primären Polarisierungsphase werden
schließlich
die temporären
Elektroden 24a, 24b, die an den Endflächen der
Struktur 14 angebracht sind, entfernt.
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Als
eine Alternative zum Vorsehen eines temporären leitenden Films zum Schaffen
der primären äußeren Elektroden 24a, 24b und
wahrscheinlich besser geeignet, kann die gesamte Struktur 14 zwischen
zuvor angeordneten und wiederverwendbaren (nicht dargestellten)
Elektroden befestigt werden. In diesem Fall beinhaltet der letzte
Schritt der primären Polarisierungsphase
eine Demontage des Gegenstandes 14 von der Befestigung
der Elektrode.
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Die
zweite Phase des Verfahrens zur Polarisierung beeinflusst nur diejenigen
Bereiche des ferroelektrischen Materials, die zwischen den innen
liegenden Elektroden von entgegengesetzter Polarität liegen
(d.h., wie in 8 dargestellt ist, der Bereich 30 zwischen
den schraffierten Linien). Als einen anfänglichen Schritt werden die
permanenten sekundären,
außen
liegenden Elektroden 30a, 30b an die seitlichen
Flächen
der vielschichtigen Struktur 14 angebracht, wobei die sekundären, außen liegenden Elektroden 30a, 30b daher
im wesentlichen senkrecht zu den innen liegenden Elektroden 18a, 18b angeordnet
sind.
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Falls
eine polarisierte ferroelektrische Keramik über ihre Curie-Temperatur aufgeheizt
wird, wird sie depolarisiert und besitzt in ihrem Körper keine
Piezoelektrizität
mehr. Es ist daher wichtig, dass der Verfahrensschritt der Kontaktierung,
bei dem die leitenden Bahnen zwischen den Elektroden 30a, 30b und
den innen liegenden Elektroden 18a, 18b fertig gestellt
werden, bei einer Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur der piezoelektrischen Keramik ausgeführt wird.
Um einen Temperaturanstieg über die
Curie-Temperatur hinaus zu vermeiden, können die sekundären, außen liegenden
Elektroden 30a, 30b beispielsweise mittels einer
physikalischen Ablagerung aus der Dampfphase bei niedriger Temperatur
ausgebildet werden. Alternativ kann eine bestimmte Form einer leitenden
Glasur oder ein metallisiertes Polymer verwendet werden, um die
beiden gemeinsamen leitenden Bahnen auszubilden.
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Wie
in 8 dargestellt ist, wird eine sekundäre Polarisierungsspannung
an den sekundären, außen liegenden
Elektroden 30a, 30b angelegt, nachdem diese platziert
sind, um die Richtung der Polarisation in jeweils abwechselnden
(bzw. zweiten) der ferroelektrischen Schichten 16 umzukehren,
wodurch die wechselnde Polarisationsrichtung erzeugt wird, die für die vielschichtige
Struktur notwendig ist, um während
einer Betätigung
insgesamt eine Verschiebung zu erzeugen. In der zweiten Polarisierungsphase
ist die Polarisierungsspannung deutlich geringer als das örtlich auf
die Schichten 16 angebrachte Polarisierungsfeld. Falls
jede ferroelektrische Schicht 16 beispielsweise eine Stärke von
ungefähr 100 μm besitzt
und ein Polarisierungsfeld von ungefähr 2 kV/mm benötigt, muss
die angelegte sekundäre
Polarisierungsspannung 200V betragen.
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Der
Grad der während
der Polarisierung erzeugten ferroelektrischen Formänderung
hängt nicht von
der Polarisierungsrichtung ab, sondern nur von der der Achse der
Polarisierung. Da die Achse der Polarisierung während der sekundären Polarisierungsphase
unverändert
bleibt, erzeugt die Umkehrung der Polarisierungsrichtung innerhalb
der wechselnden Schichten 16 keine Unstetigkeit der Formänderung.
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Es
sollte festgehalten werden, dass, obwohl das außerhalb des Bereiches 30 liegende
ferroelektrische Material (d.h. der Bereiche des Materials, die nicht
zwischen den innen liegenden Elektroden 18a, 18b entgegen
gesetzter Polarität
liegen) bei der zuvor erwähnten
Technik während
der primären
Polarisierungsphase polarisiert wird, das Material keine piezoelektrische
Formänderung
aufweisen wird, wenn die innen liegenden Elektroden aufgeladen werden, da
es außerhalb
des Bereiches des Polarisierungsfeldes während der zweiten Polarisierungsphase liegt.
Obwohl Unstetigkeiten der ferroelektrischen Formänderung vermieden werden, treten
Unstetigkeiten der piezoelektrischen Formänderung weiterhin auf. Das
Verfahren schafft allerdings den Vorteil, dass eine primäre Ursache
von Brüchen
innerhalb der vielschichtigen Struktur vermieden wird. In jedem Fall
ist eine piezoelektrische Formänderung
nur ein temporärer
Effekt und besitzt gewöhnlicherweise eine
geringere Größe als eine
permanente ferroelektrische Formänderung.
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Es
sollte klar sein, dass in dem zweiphasigen Verfahren zur Polarisierung
gemäß der vorliegenden Erfindung
die primäre
Polarisierungsspannung, die an den primären, außen liegenden Elektroden 24a, 24b angelegt
wird, und die sekundäre
Polarisierungsspannung, die an die sekundären, außen liegenden Elektroden 30a, 30b,
und daher an die innen liegenden Elektrodensätze 18a und 18b angelegt wird,
beide an einen individuellen vielschichtigen ferroelektrischen Gegenstand
angelegt werden, der aus einem einteiligen Block in einer Größe hergestellt wurde,
die sich für
eine bestimmte Anwendung eignet, bevor das zweiphasige Verfahren
zur Polarisierung stattfindet. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt daher
den vorangehenden Schritt eines Verkürzens und/oder Ausformens des
vielschichtigen ferroelektrischen einteiligen Blockes in einzelne
Gegenstände,
die für
eine bestimmte Anwendung in beispielsweise piezoelektrischen Betätigungsorganen geeignet
sind.
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Das
Verfahren ist insbesondere für
eine Verwendung bei der Polarisierung von ferroelektrischen Materialien
geeignet, die für
eine Verwendung von in Brennstoffeinspritzventilen genutzten piezoelektrischen
Betätigungsorganen
geeignet ist. Das ferroelektrische Material kann zum Beispiel typischerweise Bleizirkonattitanat
sein; allerdings kann das zweiphasige Polarisierungsverfahren verwendet
werden, um Unstetigkeiten der ferroelektrischen Formänderung in
beliebigen ferroelektrischen Keramiken zu vermeiden.