CZ255399A3 - Způsob výroby piezoelektrických ovládacích prvků a piezoelektrický ovládací prvek - Google Patents

Description

Způsob výroby piezoelektrických a piezoelektrický ovládací prvek ovládač í ch

Oblast techniky prvků

Vynález se týká piezoelektrického ovládacího prvku, který je použitelný zejména pro ovládání vstřikovacího pohonné směsi, a rovněž způsobu jeho výroby.

ventilu

Dosavéi i η í stav techniky

Piezoelektrické prvky zvláště pro ovládání z více na jsou vždy i oktrické vi ev spojeny v jednotlivých srř í dávě vrstvách Přitom ovládač í vstřikovacích ventilů pohonné směsi jsou známé v rozmanitých formách provedení např. z DE 195 00 706 Al nebo DE 43 06 073 Ci. Piezoelektrické ovl.'·’ící prvky se skládají sebe naskládaných piezoelektrických vrstev, které na jednom povrchu poraženy elektrodou, běžné yiez.

ovládací prvky se skládají z mnoha set takovým způsobem naskládaných piezoelektrických vrsL-.-v. Tímto způsobem se dosáhne poměrně v.’'ého ovládacího zdvihu. Jak je blíže vysvětleno ''-ipř. v DE 37 13 69/ Al , musí být elektrody jednotlivých piezoeiektrických s napěťovým zdrojem. aby se vytvořilo elektrické pole působící ve stejném směru, je každá druhá elektroda spojena s prvním pólem napěťového zdroje. zatímco mezilehlé elektrody jsou spojeny s druhým pólem napěťového zdroje. Jak je blíže vysvětleno např. v GB 2 193 386 A, je dosud běžné. že elektrody rozložené až k okraji naskládaných piezoelektrických vrstev se v okrajové oblasti na v:ější straně vzájemně spojí. Ί'< ·. o způsob elektrického spojení je však při plně automatické výrobě s velkými počty kusů nákladný a poruchový a má k tomu z důvodu jejich rozložení až do izolovány od okolí, takže oblast prvků musí být opatřena nevýhodu, že elektrody okrajové oblasti nejsou pláště piezoelektrických ovládacích dodatečnou izolací.

Podstata vynálezu

Způsob podle vynálezu s význaky použitelný v plně automatické výrobním nákladům, Elektrody elektricky spojeny na vnější pastou zavedenou spojovacími spojen í podle jvnálezu je nároku 1 má výhodu, že je výrobě a že vede k malým ovládacího prvku nejsou straně, ale elektricky vodivou otvory do vnitřku. Elektrické proto méně poruchové a je necitlivé na vnější rechaidcké poškozeni. Piezoelektrické ovládací prvky se vyrábějí vzájemně g iraleině ve vysoce integrovaném výrobním procesu. Blok obsahující více piezoelektrických ovládacích prvků se teprve na konci výroby děli na jednotlivě ovladači prvky. Výrobní výtěžnost se tím dá podstatně zvětšit. Stejné výhody vyplývají také pro ovládací prvek podle vynálezu s význaky podle nároku 10.

Pomocí opatření u\. * ných v podnárocích jsou možná výhodná další provedení a zlepšeni způsobu výroby uvedeného v nároku I případně piezoelektrického ovládacího prvku uvedeného v nároku 10.

Jestliže je vybrár τ, má izolovány od žádná další ovládacích prvků jsou spolehlivě okrajová oblast elektrod to výhodu. še elektrody okolí ovládacího prvku. Proto nejsou potřebná opatření k izolaci elektrod. Protože k tomu je elektrické spojení elektrod provedeno spojovacími otevřeními uvnitř oviádncího prvku, plyne z toho úplné izolování od vnějšku všech součástí, která jsou pod napětím. Poruchovost ovládacího prvku je podstatně zmenšena.

straně pri odplynova;· í usnadňuj í

V mezioblastech mezi jednotlivými ovládacími prvky mohou být vytvořeny ve fóliích, tvořících piezoelektrické vrstvy, perforační otvory. Tyto perforační otvory slouží na jedné následujícím vypálení naskládaných fólií jako kanály. Na druhé straně perforační otvory dělení naskládaného uspořádání na jednot 1 ivé ovládací prvky. Dělení muže proběhnout např. tak, že na elektrody sousedních ovládacích prvků působí elektrické pole opačné polarity. Zatímco se jeden sousední ovládací prvek s-ifšhije, druhý sousední ovladači ..cvek se rozpíná. Z toho vyplývající mechanické napětí vede k vzájemnému rozlomení ovládacích prvků podél dělicí přímky předem dané perforačnimi otvory. Perforační otvory však také usnadňují dělení ovládacích prvků pilami podél dělicí přímky předem cl.^;;· é peiíi-račními otvory. Jiným vhodným způsobem dělení je řezání vodním paprskem.

Kovové elektrody mohou být výhodně naneseny způsobem sítového tisku. naparováním ;ο> ? napráškováním. přičemž z důvodů úspory mareriálu a lepšího zprostředkování vazby s naproti ležící piezoelektrickou keramickou vrstvou je výhodné nenanášet elektrody celoplošně, aie např. se síťovou strukturou.

Pře hled obraz k ů .. na_. výkres e c h

Příklad vynálezu je zjednodušeně znázorněn na 7 ýkřesu a blíže vysvětlen v následujícím popisu.

Uvádí se:

na onr.

schematické zna zorněni τη fólií z piezoelektrického keramického materiálu, které nají být na sel·; naskládány, které jsou potaženy elektrodami a které jsou opatřeny spojovacími otevřeními a perřoračními otvory a na obr. 2 hotový ovládací prvek v řezu v perspektivním znázornění.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 ukazuje perspektivní schematické zobrazení pro znázornění způsobu výroby. Zobrazeny jsou tři fólie 1. 2, z ještě nevypáleného piezoelektrického keramického materiálu, tj. z tzv. zelené keramiky. Vhodným materiálem je např. tilaničitan oiova a baria íPbBaTiOs >. Keramický materiál se dá před vypálením zpracovat např. válcováním, litím nebo řezáním na tenké fólie. Řádová velikost tloušťky fólie je např. 0,1 mm, z·· i ž by provediteln t vyiáiezu byla omezena na ^:uto tloušťku fólie. V dalším krok- trucování jsou fólie na svém j.ovrchu 4i , 4; , 43 potaženy elektricky vodivým materiálem. zvláště tenkou kovovou vrstvou, K tomu se hodí všechny známé chemické a fyzikální způsoby potažení povrchu, např. napaření, napráskování nebo způsob síťového

tisku. Elektrody 5i až	I.Q1 ·	5z a z 10.2	a 5 3 a z	IO3 mohou být
naneseny celoplošně.	Při	způsobu s	íťového	risku je však
síťová struktura eieki	, . >d	úče-1 iá . Ve	znázorr	;ěném příkladu

provedení je nyní jedna elektroda Si až ±0ι , 5; až l_0_2 případné 53 až IO3 každé fólie 1, 2 případně 3 přiřazena jednomu ovládacímu prvku. Proto je způsobem podle vynálezu současně zpracováno více příčně přesunutých vzájemně uspořádaných ovládacích pivku, čímž se mohou výrobní náklady zřetelně zmenšit. Zásadně je také možné přiřadit ke každému ovládacímu prvku ne jednu ale více elektrod, jestliže je to pro jednotlivé případy použití žádoucí.

V každé vrstvě fólie 1, 2 případně 3 jsou v kroku

Drvni íooTovaci pred< nazejic i m neno v následujícím potažení vytvořeny řasnící nebo vrtáním první spojovací otevření lli až I61 v první fólii 1, první spojovací otevření lip až ló2 v druhé fólii 2 a první spojovací otevření 1J.3 až .16.3 ve třetí fólii 3 a rovněž druhá spojovací otevření 17j až 22i v první fólii 1. druhá spojovací otevření 17? až 22.2 v druhé fólii 2 a druhá spojovací 17.3 až 223 (pozn. překladatele: v originálu nesprávně 233 ) ve třetí fólii 3. Spojovací otevření 11 až 22 siouží k elektrickému spojení jednotlivých elektrod 5 až 10, k čemuž se ještě podrobněji dojde. Aby se dosáhlo střídavého spojení mezi elektrodami, jsou u první fólír 1 druhá spojovací otevření 17i aí 22i vždy obklopena vybráním 23.1 až 2Si . tj. potažení elektrodami nedosahuje až k okraji druhých otevření 17i až 2?:, nýbrž okraj elektrod 5i až 101 od okrajů druhých otevření I7i až 22i obstupuje. Podobným způsobem jsou také u elektrod 53 až 10?, třetí fólie 3 opatřena vybrán: 233 až 233. která obklopují spojovací otevřeni I7n až 22a. Naproti tomu v mezilehlé vrstvě druhé folie 2 vybrání 23; až 23? elektrod 5c až 10; obklopují otevření 11; až 13;. Totéž niati také pro liz neznazornenou caisi tom naa první fólií usooraaanou lano s ni sousevici a rovněž pro folii pod třetí fólií 3 a s ni sou:

již neznázorněnou další lící. vvbrání 23 iž 2S se proto od vrstvy fólie k vrstvě fólie střídají a jsou vždy přiřazena κ prvním spojovacím otevřením k druhým soojovacim otevřením 17 až 22.

nebo ume jsou v znázorněném prmiaau provedení v každé vrstv fólie 1, 2 případně 3 opatřeny perforační otvory 30i , 302 a 30; , které mohou být vytvořeny např. raznicí nebo vrtáním současně s prvními spojovacími otevřeními 11 až 16 a druhými spojovacími otevřeními az 22, f mrační otvory 30 jsou ve znázorněném příkladu provedení vytvořeny síťově a -yznačují vždy přímku rozhraní mezi jednotlivými ovládacími prvky vyrobenými současně způsobem podle vynálezu. Nezi elektrodami 5i až lOj případně 5z až I.O2 případně 53 až IO3 jsou v každé fólii opatřeny síťové mezioblasti 311 . případně 3_ls , případně 313 . takže elektrody 5 až 10 nedosahují až k vnějšímu okraji ovládacích prvků, ale odstupují od okraje vyznačeného perforačními otvory 3.0. Perforační otvory 30 jsou s výhodou přiřazeny do mezioblasti 31 v řadách. které probíhají podél okrajů jednotlivých ovládacích prvků. Ve znázorněném příkladu provedení jsou ovládací prvky vyrobeny s obdélníkovým průřezem. K výrobě ovládacích prvků s jinými plochami průřezu se perforační otvory odpovídajícím, způsobem obmění.

V následujícím kroku zpracování je na sebe naskládáno množství fólií. z nichž byly na obr. 1 jen ve výřezu znázorněny fólie 1 až 3. K dosažení dostatečného zdvihu ovládacího prvku je na sebe naskládáno s vvnodou mnoho set viste v fólii znázorněných na obr. i a zpr.- -ováných jak byle L-ředepsano. Jednotlivé vrstvy fólií jsou tři tom: vzájemně vyrovnány tak, že jak perforační otvory 30. -;k také první spojovací otevření 1'.· ?,ž 1 6 a druha spojovací otevření 17 a* 22 jsou umístěna přesně nt sebe. Toto se ds provést plně automaticky např. systémem schopným mechanicky nebo opticky snímat referenční označení. Naskládání nebo navrstvení jednotlivých fólií i až 3 je na obr, 1 znázorněno šipkami 40 až 42. Jak je právě vysvětleno, volí se sled vrstev fólií 1 až 3 tak. že na sebe přiřazená spojovací otevř» ·>ί 1_1 až 1.6 případně 17 až 22 jsou střídavě jen v každé druhé vrstvě fólie 1 až 3 obklopena vybráním 23 až 2_6. elektrod 5. až 10, takže elektrody 5 až 10 jsou střídavě ve spojení s prvními spojovacími otevřeními 1.1 až 1.6 nebo s druhými spojovacími otevřeními 17 až 22.

V dalším kroku zpracování jsou první spojovací otevření 1_1 až 16 a druhá spojovací otevření 17. až 22 naplněna vhodnou elektricky vodivou pasto.i, např. metal i zovanou pastou. Flr.ění spojovacích otevření 11 až 16, případně 17 až 22 se může provést např. nasátím pomocí podtlaku nebo vtlačením. Přednostně se provede zavedení elektricky vodivé pasty ve stavu již naskládaných fólií. Je však také myslitelné, že každá jednotlivá fólie je naplněna elektricky vodivou pastou před naskládáním. Spojovací otevření 1_1 až ló případně 17 až 22 mohou být označena také jako průchozí otvory, takže způsob elektrického spojení dostává označení proces průchozího plnění.

V následujícím kroku zpracování je naskládané vzniklé naskládáním fólií 1 až 3 při vhodném tlaku teplotě vysušeno a potom pří vhodné teplotě Vypalovací tepl ' ·.; je s výhodou větší než a přednostně leží v rozsahu mezi 1000 °C a 1500 °C uspořádání a zvýšené vypáleno. 1000 °c

Potom se vypálené, naskládané uspořádání dělí na jednotlivé ovládací prvky. Při velikosti fólii např. 15 x 20 cm je možné z naskládaného uspořádáni získat až 200 jednotlivých ovládacích prvků. Dělení na jednotlivé ovládací prvky se provede např. pilami nebo řezáním vodním paprskem. Perforační otvory 3.0 přitom ulehčují děj dělení a označují místa dělení.

Příslušným přednostním předchozím způsobem se provede dělení · iskládaného uspořádání na jednotlivé ovládací prvky tím. že se na sousední ovládací prvky přivede napětí rozdílné polarity. Elektrickým polem vytvořeným v jednotlivých vrstvách ovládacího prvku, které působí mezi sousedními ovládacími prvky v r< sdílném směru, vznikne podle směru pole bud smrštění nebo roztažení sousedních ovládacích prvků. Mezi sousední·! ovládacími prvky vzniká proto mechanické napětí, které při vhodném dimenzování síly elektrického pole a vzdálenosti mezi jednotlivými perřoračními otvory 3_0 vede k dělení ovládacích prvků podél dělicí přímky předem dané perforačními otvory 30. Tento způsob postupu je zvlášť úsporný, piotože nepotřebuje žádné zvláštní dělicí zařízení.

Ke zlepšení názornosti vynálezu v řezu jednotlivý ovládací prvek, naskládané vrstvy 50i až 5.0.1 s z piezoelektrického keramického materiálu. Rozeznatelné jsou dále elektrody 5i až Sj s jednotlivých vrstev 5pi až 50is . Jak je dále na obr. 2 znovu objasněno, jsou vybrání 2_3i až 23i 5 elektrod 5i až tak. že obklopuji střídavě první a druhé „-oiovací otevření 1.7. 53 naplněnou do spojovacích :trody 5i . 5a .... 5: 5 vždy každé

015 usporacsny striciave spojovací otevřeni i i Elektricky vodivou pasto u otevření 11a 17 isou el je na obr. 2 znázorněn Rozeznatelné isou na sebe

o.rune vrsovy spoienv napr. íerovamm. m 1 sromonraz 1 . svařováním nebo podobnými způsoby s prvním připojovacím vodičem spořeným s ovládacím prvkem. Mezilehlé elektrody 5: . 5λ , ... 5? .1 jsou elektrick’· vodivou t-astcu 53 zavedenou c o ·: r u n e n o připojovacím v ovládacím př i poj ovac í s ρ o ί o v a c i h o vodičem prvku při vodiče 51 otvoru 1 / s ρoieny 5 2. Elektrické poIe připojení =1 E_k ?

s Grunysi vytvořené piezoelektrických vrstvách 50i až 50is takže smrštění nebo piezoelektrické vrstvy 5.Ο1 v originálu nssorávné 15i až elektrického napětí mezi působí proto ve všech ve stejném ί·Ίΐέηι, ždé jednotlivé až 50(5 (pozn. překladatele: 75i5 ) se konstrukčně sečítá na roz čazen l celkový zdvih piezoelektrického ovládacího prvku.

Na obr. 2 se dají také rozeznat vyražené perforační otvc-ry 30 v okrajové oblasti ovládacího prvku. Σ toho, že elektrody 5t až 5i s nejsou rozloženy až k okrajové oblasti ovládacího prvku, ale odstupují od okraje o vzdálenost a, vyplývá neprodyšná izolace elektrod 52 až 5.15 . Jen pro nejvrchnější elektrodu 5i se opatří dodatečné izolační opatření . S výhodou je ovládací prvek na své horní straně pokryt vhodnou elektricky izolující zalévací hmotou. Tato zalévací hmota může být plošně nanesena již před dělením naskládaného uspořádání na jednotlivé ovládací prvky. Dále je myslitelné nanést na vrchní stranu elektricky izolující krycí fólii jako uzavírací vrstvu.

Perforační otvory 30 usnadňují nejen dělení naskládaného uspořádání na jednotlivé ovládací prvky, ale podporuj í také zvláště jako odplynovac í kanály vývin plynů při sušení a vypalo lni naskládaného uspořádání. Pos!upem podle vynálezu se dají vyrábět piezoelektrické ovládací prvky, které vystačí s pracovním napěl í m menším než 150 V a ./tvoří sílu větší než 1000 li při pracovním zdvihu 50 pm. Řezáním vodním paprskem se dá naskládané uspořádání dělit na jednotlivé /íádací prvky s téměř libovolnou plochou průřezu. Tak se dají vyrobit např. kulaté, trojúhelníkové r.ebo hvězdicové ovládací prvky.

Claims (11)

1. Způsob pro paralelní výrobu více ovládacích prvků vyznačuj ící následující kroky postupu:

- výrobu tenkých fólií (1 až 3) z piezoelektrického keramického materiálu,

- vytvoření proražených prvních a druhých až 16, 17 až 22) ve fóliích (1 až 3), přičemž ovládacímu prvku je přiřazeno jedno první (11 až i 6) u jedno druhé spojovací otevření (11 ke každému spojovací otevření piezoelektrických s e tím, že má nevypáleného spojovacích otevření (17 až 2 2),

- potažení vždy povrchu (4) fólií (1 až 3) více elektrodami (5 až iú), přičemž každému ovládacímu prvku v každé fólii (1 až 3) je přiřazena alespoň jedna elektroda |5 až 10) a

16, 17 až 22) prorážejí (2 až 10) a elektrody (2

23), která obklopují buď 16) nebo druhé spojovací ]e voien tas i i až 16 , i 7 , že na sebe až 22) jsou přitom si?ujovací otevření (11 až fólie (1 až 3) v obiasti elektrod až 10) mají vždy vybrání (23 až první spojovací otevření (11 až otevř -ní (17 až 22 > .

- naskládání množství fólií (1 až 3) na stI-ť. takže první a druhá spojovací otevření (11 až 16, 17 až 22) jsou takto vzniklým naskládaným uspořádáním uspořádána na sobe, přičemž sled fólií :1 až 3) uspořádaná spojovací otevření obklopena střídavě jen v každé druhé vrstvě fólie (1 až 3) vybráním (23 až 23) elektrod (5 až 10), takže elektrody (5 až 10) jsou spojeny střídavě s prvním spojovacím otevřením (11 až 16) nebo s druhým spojovacím otevřením (17 až 22),

- zavedení elektricky vodivé pasty (53) do spojovacích otevření (11 až 16, 17 a? 22),

- vypálení naskládaného uspořádání a

- dělení naskládaného uspořádání na jednotlivé ovládací prvky .

2. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že povrchy (4) fólií (1 až 3) mají v okrajových oblastech mezi jednotlivými ovládacími prvky nezioblasti (31), ve kterých jsou elektrody vybrány.

3 . Způsob podle nároku 1 nebo 2 vyzn a č u j í c í se tím , 2 . v in e s i oblastech (31) se v y t voř i perforační otvory (3Π ) · 4. Způsob podle nároku 3 vyz n a č u jící s e tím že perforační otvory (30) v mezioblastech (31) se uspořádáj í

v řadách probíhajících podél okrajů jednotlivých ovládacích prvku,

5. Způsob podle nároku 3 nebo 4 tí ii:, ze z deler.i naskladanevyznač u j spořádání na ící Ξ < jednotí iv.· ovládací prv sousedních ov y se připojí mezi elektrody (5 až 10) ádacích prvků elektrické _kole opačné polarity.

6 Způsob podle jedno! - z nároků 1 až 5 vyznačující se tím. že dělení naskládaného uspořádání na jednotlivé ovládací prvky se provede pomocí pil nebo řezání vodním paprskem.

7. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 6 vyznačující se tím, že i «skládané uspořádání se před vypálením pod tlakem při zvýšené teplotě vysuší.

8. Způsob podle jednoho z nároků laž7 vyznačující se tím, že elektrody (5 až 10) se nanesou způsob -m síťového tisku, naparováním, napráškováním nebo podobně.

9. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 8 vyznačující se tím, že naskládané uspořádání slinuje při jednoosém tlaku při teplotě alespoň 1000 °C.

10. Piezoelektrický ovládací prvek, který má množství na sebe naskládaných vrstev (50) z piezoelektrického keramického materiálu, které jsou na povrchu (4) potaženy vždy alespoň j?dnou elektrodou (5), přičemž elektrody (5) jsou mezi sebou střídavě zapojeny, vyznačující se t i m , že v každé vrstvě (50) v oblasti elektrody (5) se opatří první a druhé proražené spojovací otevření (11, 17), že ka^.lá c-bktroda (5) má vybrání (.-1), kleré obklopuje bud první spojovací otevření (11) nebo druhé spojovací otevření (17), ?· vrstvy Í50) se naskládají tak, že první a druhá spojovací otevření (11. 17) všech vrstev (50} jsou uspořádána na sobě a na sobě uspořádaná spojovací střídavě obklopena vybráním (23) elektrod drui vrstvě. takže elektrody s pr~ ι í i spojovacími otevřer-tni spojová- tříd otevřeními (17) a že spojovací otevření (11, 17) pastou (53).

otevření (11, 17) jsou elektrod (5) jen v každé (5) jsou střídavé spoj eny ii i (11) a s druhým i naplní e 1ektričky vodivou

11. Piezoelektrický ovládací prvek podle nároku 10 vyznačující se síťové kovové vrstvy.

tím, že elektrody (5) se skládají ze

12. Piezoelektrický ovládací prvek podle nároku 10 nebo 11 vyznačující se tím, že vrstvy (50) obklopuje mezioblast (31), která není potažena elektrodou (5).

13. Piezoelektrický ovládací prvek podle jednoho z nároků 10 až 12 vyznačující se tím, že vnější povrch nejvrchnější a/nebo nejspodnější vrstvy a/nebo okrajová oblast ovládacího prvku se zalije do elektricky izolující zalévací hmoty.