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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE102006015042 A1
Publication typeApplication
Application numberDE200610015042
Publication dateOct 4, 2007
Filing dateMar 31, 2006
Priority dateMar 31, 2006
Also published asDE102006015042B4, WO2007113189A1
Publication number0610015042, 200610015042, DE 102006015042 A1, DE 102006015042A1, DE 2006/10015042 A1, DE-A1-102006015042, DE0610015042, DE102006015042 A1, DE102006015042A1, DE2006/10015042A1, DE200610015042
InventorsAurelie Cardin, Carsten Dr. Schuh
ApplicantSiemens Ag
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Production of a piezo-ceramic component used in the production of a piezo-ceramic multiple layered actuator comprises preparing a green body with a piezo-ceramic starting composition and heat treating
DE 102006015042 A1
Abstract
Production of a piezo-ceramic component made from a piezo-ceramic material comprises preparing a green body with a piezo-ceramic starting composition of the material and heat treating. An independent claim is also included for a piezo-ceramic material made from the composition: AaCucNb1-bBbO3 (where A = alkali metal; B = cobalt, iron, germanium, manganese or tin; a > 0; c > 0 and 0
Claims(13)  translated from German
  1. Piezokeramischer Werkstoff mit der Zusammensetzung A a Cu c Nb 1-b BbO 3 , wobei – A mindestens ein Alkalimetall mit einem Alkalianteil a ist, – c ein Kupferanteil ist, und – B mindestens ein aus der Gruppe Kobalt, Eisen, Germanium, Mangan und Zinn ausgewählte mehrwertige Dotierung mit einem Dotierungsanteil b ist und folgende Zusammenhänge gelten: a > 0, c > 0 und 0 < b < 1. Piezoceramic material having the composition A a Cu c Nb 1-b BBO 3, wherein - A is at least one alkali metal with an alkali share a, - c is a copper portion, and - B is at least one and selected from the group cobalt, iron, germanium, manganese tin doping is selected polyvalent b with a doping amount and following relationships apply: a> 0, c> 0 and 0 <b <. 1
  2. Piezokeramischer Werkstoff nach Anspruch 1, wobei folgender Zusammenhang gilt: 0,5 ≤ c/b ≤ 1,5. Piezoceramic material according to claim 1, wherein the following relationship applies: 0.5 ≤ c / b ≤ 1.5.
  3. Piezokeramischer Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei folgender Zusammenhang gilt: 0,001 ≤ c ≤ 0,05. Piezoceramic material according to Claim 1 or 2, wherein the following relationship applies: 0.001 ≤ c ≤ 0.05.
  4. Piezokeramischer Werkstoff nach Anspruch 1 bis 3, wobei folgender Zusammenhang gilt: c = b = 0,02. Piezoceramic material according to Claim 1 to 3, wherein the following relationship applies: c = b = 0.02.
  5. Piezokeramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Alkalimetall A aus der Gruppe Natrium und Kalium ausgewählt ist und folgende Zusammenhänge gelten: K 1-x Na x und 0 ≤ x ≤ 1. Piezoceramic material according to any one of claims 1 to 4, wherein the alkali metal A from the group of sodium and potassium is selected, and the following relationships apply: K 1-x Na x and 0 ≤ x ≤ first
  6. Piezokeramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein molarer Bleianteil an der piezokeramischen Zusammensetzung unter 0,1 mol.% und insbesondere unter 0,01 mol.% beträgt. Piezoceramic material according to any one of claims 1 to 5, wherein a molar amount of lead in the piezoelectric ceramic composition is less than 0.1 mol.% And in particular less than 0.01 mol.% Is.
  7. Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils ( A method of manufacturing a piezoceramic component ( 1 1 ) mit einem piezokeramischen Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Grünkörpers mit einer piezokeramischen Ausgangszusammensetzung des piezokeramischen Werkstoffs und b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung der piezokeramische Werkstoff des Bauteils ( ) With a piezoceramic material according to any one of claims 1 to 6 comprising the following steps: a) providing a green body having a piezo-ceramic starting composition of the piezoceramic material and b) heat-treating the green body, whereby from the piezoelectric ceramic starting composition of the piezoceramic material of the component ( 1 1 ) entsteht. Coordinates).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zum Bereitstellen des Grünkörpers ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen der Metalle Alkalimetall A, Kupfer, Niob und der Dotierung B zum Bilden der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung durchgeführt wird. The method of claim 7, wherein for providing the green body mixing powdery oxidic metal compounds of the metals A alkali metal, copper, niobium and B doping is performed for forming the piezoelectric ceramic starting composition.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine piezokeramische Ausgangszusammensetzung mit mindestens einem Mischoxid mit mindestens zwei der Metalle verwendet wird. The method of claim 7, wherein a piezo-ceramic starting composition is used with at least one mixed oxide with at least two of the metals.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei ein piezokeramisches Bauteil ( Method according to one of claims 7 to 9, wherein a piezoceramic component ( 1 1 ) mit mindestens einem Piezoelement ( ) With at least one piezoelectric element ( 10 10 ) hergestellt wird, das eine Elektrodenschicht ( ) Is produced which an electrode layer ( 11 11 ) mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht ( ) With electrode material, at least one further electrode layer ( 12 12 ) mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten ( ) With another electrode material and at least one between the electrode layers ( 11 11 , . 12 12 ) angeordnete Piezokeramikschicht ( ) Arranged piezoceramic layer ( 13 13 ) mit dem piezokeramischen Werkstoff aufweist. ) Having the piezoelectric ceramic material.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Piezoelement ( The method of claim 10, wherein a piezoelectric element ( 10 10 ) verwendet wird, bei dem das Elektrodenmaterial und/oder das weitere Elektrodenmaterial mindestens ein aus der Gruppe Silber, Kupfer und Palladium ausgewähltes elementares Metall aufweisen. ) Is used in which the electrode material and / or the further electrode material containing at least one selected from the group silver, copper and palladium elemental metal.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das piezokeramische Bauteil ( Method according to one of claims 7 to 11 wherein the piezoceramic component ( 1 1 ) mit dem Piezoelement ( ) With the piezoelectric element ( 10 10 ) aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt wird. ) Is selected from the group consisting of piezoceramic flexural transducer, piezoceramic multilayer piezoceramic transformer, piezoceramic motor and piezoceramic ultrasonic transducer.
  13. Verwendung eines nach dem Verfahren nach Anspruch 12 hergestellten piezokeramischen Vielschichtaktors zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine. Use of a piezoceramic multilayer actuator prepared by the method of claim 12 for driving a fuel injection valve of an internal combustion engine.
Description  translated from German
  • [0001] [0001]
    Die Erfindung betrifft einen bleifreien piezokeramischen Werkstoff mit Kupferdotierung, ein Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und eine Verwendung des Bauteils. The invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic material with copper doping, a method of manufacturing a piezoceramic component with the material, and a use of the component.
  • [0002] [0002]
    Bleihaltige piezokeramische Werkstoffe auf der Basis des binären Mischsystems von Bleizirkonat und Bleititanat, so genanntes Bleizirkonattitanat (Pb(Ti,Zr)O 3 , PZT), werden derzeit wegen ihrer exzellenten mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften, beispielsweise hohe Curietemperatur T c von über 300° C oder hoher d 33 -Koeffizient im Groß- und Kleinsignalbereich, in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Lead-containing piezoelectric ceramic materials based on the binary mixing system of lead zirconate titanate and lead titanate, so-called lead zirconate titanate (Pb (Ti, Zr) O 3, PZT), are currently due to their excellent mechanical and piezoelectric properties, such as high Curie temperature T c of about 300 ° C or high d 33 -Koeffizient in large and small signal range, used in many areas of technology. Piezokeramische Bauteile mit diesen Werkstoffen sind beispielsweise Biegewandler, Vielschichtaktoren und Ultraschallwandler. Piezoceramic components with these materials, for example bending transducer, multilayer actuators and ultrasonic transducers. Diese Bauteile werden in der Aktorik, der Medizintechnik, der Ultraschalltechnik oder der Automobiltechnik eingesetzt. These components are used in the actuator, medical technology, ultrasound technology and automotive technology.
  • [0003] [0003]
    Im Hinblick auf eine verbesserte Umweltverträglichkeit sollen zukünftig bleifreie piezokeramische Werkstoffe zum Einsatz kommen. With a view to improved environmental future lead-free piezoelectric ceramic materials are to be used. Aus From US 6,884,364 B2 US 6,884,364 B2 ist beispielsweise ein bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit guten piezoelektrischen Eigenschaften bekannt. For example, a lead-free piezoceramic material with good piezoelectric properties are known. Der Werkstoff weist eine Perowskit-Phase auf, die auf dem System Kalium-Natrium-Niobat(KNN) basiert. The material has a perovskite phase, based on the system potassium sodium niobate (KNN). Die Summenformel der Perowskit-Phase lautet beispielsweise (K 0,5 Na 0,5 ) 0,97 (Nb 0,9 Ta 0,1 )O 3 . The empirical formula of the perovskite phase is, for example, (K 0.5 Na 0.5) 0.97 (Nb 0.9 Ta 0.1) O 3. KNN ist mit Tantal dotiert. KNN is doped with tantalum. Neben der Perowskit-Phase ist mindestens eine weitere Phase im piezokeramischen Werkstoff enthalten. In addition to the perovskite phase at least one other phase is included in the piezoceramic material. Diese weitere Phase weist Kupfer auf. This phase has more copper. Die Summenformel der weiteren Phase lautet beispielsweise K 4 CuNb 8 O 23 . The empirical formula of the other phase is, for example, K 4 CuNb 8 O 23rd Diese Phase fungiert als Sinterhilfe beim Herstellen des piezokeramischen Werkstoffs. This phase acts as a sintering aid in producing the piezoceramic material. Allerdings darf der Kupferanteil am Gesamtsystem nicht zu hoch sein. However, the copper content of the entire system must not be too high. Bei Zugabe von über 2 mol% Kupfer stellen sich unerwünscht hohe dielektrische Verluste ein, so dass Kupfer als Sinterhilfsmittel nur bedingt eingesetzt werden kann. With the addition of 2 mol% copper face undesirable a high dielectric losses, so that copper can be used as a sintering aid is limited.
  • [0004] [0004]
    Aufgabe der Erfindung ist es, eine Alternative zum bekannten, bleifreien piezokeramischen Werkstoff anzugeben, der ähnlich gute piezoelektrische Eigenschaften aufweist. The object of the invention is to provide an alternative to the known, lead-free piezoelectric ceramic material that has similarly good piezoelectric properties.
  • [0005] [0005]
    Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezokeramischer Werkstoff mit der Zusammensetzung A a Cu c Nb 1-b B b O 3 angegeben, wobei A mindestens ein Alkalimetall mit einem Alkalianteil a ist, c ein Kupferanteil ist, und B mindestens eine aus der Gruppe Kobalt, Eisen, Germanium, Mangan und Zinn ausgewählte mehrwertige Dotierung mit einem Dotierungsanteil b ist und folgende Zusammenhänge gelten: a > 0, c > 0 und 0 < b < 1. Die Anteile sind molare Anteile. To achieve the object a piezo-ceramic material having the composition A a Cu c Nb 1-b B b O is given 3, wherein A is an alkali metal with an alkali content a is at least, c is a copper component, and B is at least one selected from the group cobalt, iron, germanium, tin and manganese selected multivalent doping with a doping amount is b and the following relationships apply: a> 0, c> 0 and 0 <b <1. The shares are molar proportions. Die Dotierungen liegen als drei- oder vierwertige Metalle vor. The allocations are as trivalent or tetravalent metals.
  • [0006] [0006]
    Es hat sich gezeigt, dass ein relativ hoher Kupferanteil gewählt werden kann, wenn gleichzeitig die aufgeführten drei- und vierwertigen Elemente zugesetzt werden. It has been found that a relatively high copper content can be selected when at the same time the three listed and tetravalent elements are added. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei die Zugabe von Germanium herausgestellt. Particularly advantageous is the addition of germanium has thereby emerged.
  • [0007] [0007]
    Gemäß einer besonderen Ausgestaltung gilt folgender Zusammenhang: 0,5 ≤ c/b ≤ 1,5. 0.5 ≤ c / b ≤ 1.5: In a particular embodiment, the following relationship is valid. Beispielsweise beträgt das Verhältnis 1. Kupfer und die Dotierung sind mit gleichen Anteilen vorhanden. For example, the ratio of 1. Copper and doping are provided with equal proportions.
  • [0008] [0008]
    Der Kupferanteil kann relativ hoch gewählt werden. The copper content is relatively high. Gleichwohl ist es vorteilhaft, den Anteil nicht zu hoch zu wählen. However, it is advantageous not to select the proportion too high. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anteil unter 5 mol% liegt. It when the proportion is less than 5 mol% is particularly advantageous. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung gilt daher folgender Zusammenhang: 0,001 ≤ c ≤ 0,05. In a particular embodiment, therefore, the following relationship applies: 0.001 ≤ c ≤ 0.05. Insbesondere beträgt dabei der Kupferanteil c über 0,005. In particular, the proportion of copper is about 0.005 c. In einer besonderen Ausgestaltung gilt folgender Zusammenhang: c = b = 0,02. In a particular embodiment, the following relationship holds: c = b = 0.02. Dies bedeutet, dass Kupfer und die Dotierung zu je 2 mol% vorhanden sind. This means that the doping to each copper and 2 mole% are available. Mit diesen Anteilen werden insbesondere für Germa nium als Dotierung sehr gute piezoelektrische Eigenschaften erzielt. These proportions are particularly Germa nium as a dopant very good piezoelectric properties obtained.
  • [0009] [0009]
    Das Alkalimetall kann Lithium sein. The alkali metal can be lithium. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Alkalimetall A aus der Gruppe Natrium und Kalium ausgewählt. In a particular embodiment the alkali metal A is selected from the group of sodium and potassium. Dabei gelten folgende Zusammenhänge: K 1-x Na x und 0 ≤ x ≤ 1. Beispielsweise beträgt X 0,5. The following relationships apply: K 1-x Na x and 0 ≤ x ≤ 1. For example, X 0.5. Kalium und Natrium sind zu gleichen Anteilen enthalten. Potassium and sodium are present in equal proportions.
  • [0010] [0010]
    Neben den genannten drei- und vierwertigen Metallen können weitere Dotierstoffe enthalten sein. In addition to said trivalent and tetravalent metals other dopants may be included. Diese Dotierstoffe sind beispielsweise Seltenerdmetalle. These dopants are as rare earth elements. Als Seltenerdmetall kann dabei ein beliebiges Element der Lanthaniden- oder Actiniden-Gruppe eingesetzt werden, beispielsweise Europium, Gadolinium, Lanthan, Neodym, Praseodym und Samarium. As rare earth can any element of the lanthanide or actinide group are used, for example, europium, gadolinium, lanthanum, neodymium, praseodymium and samarium. Weitere, spezielle Dotierungen, beispielsweise Antimon in der Perowskit-Phase oder Tantal in der Wolframbronze-Phase sind ebenfalls denkbar. Further, special dopants, such as antimony in the perovskite phase in the tantalum or tungsten bronze-phase are also conceivable.
  • [0011] [0011]
    In einer besonderen Ausgestaltung beträgt ein molarer Bleianteil an der piezokeramischen Zusammensetzung unter 0,1 mol.% und insbesondere unter 0,01 mol.%. In a particular embodiment amounts to a molar amount of lead in the piezoelectric ceramic composition is less than 0.1 mol.% And in particular less than 0.01 mol.%. Dies bedeutet, dass im Wesentlichen keine Bleiionen enthalten. This means that contain essentially no lead ions. Dies gilt für vorzugsweise für alle, im piezokeramischen Werkstoff enthaltenen, festen Phasen (zB eine Perowskit-Phase). This applies preferably for all, contained in the piezoelectric ceramic material, solid phases (for example, a perovskite phase).
  • [0012] [0012]
    Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem piezokeramischen Werkstoff mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Grünkörpers mit einer piezokeramischen Ausgangszusammensetzung des piezokeramischen Werkstoffs und b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung der piezokeramische Werkstoff des Bauteils entsteht. According to a second aspect of the invention a method of manufacturing a piezoceramic component with the piezoceramic material is provided comprising the steps of: a) providing a green body with a piezoelectric ceramic starting composition of the piezoceramic material and b) heat treatment of the green body, from the piezoelectric ceramic starting composition of the piezoceramic material the component is created. Der Grünkörper ist ein Formkörper, der beispielsweise aus homogen vermischten, zusammen verpressten Oxiden der angegebenen Metalle besteht. The green body is a shaped body, for example, from the mixed homogenously together compressed oxides of the stated metals. Ebenso kann der Grünkörper ein organisches Additiv aufweisen, das mit den Oxiden der Metalle zu einem Schlicker verarbeitet ist. Likewise, the green body can comprise an organic additive that is processed with the oxides of the metals to form a slurry. Das organische Additiv ist beispielsweise ein Binder oder ein Dispergator. The organic additive is for example a binder or a dispersant. Aus dem Schlicker wird in einem Formgebungsprozess ein Grünkörper erzeugt. From the slip, a green body is produced in a molding process. Der Grünkörper ist beispielsweise eine Grünfolie, die durch den Formgebungsprozess (Folienziehen) hergestellt wird. The green body, for example, a green film, which is produced by the shaping process (film drawing). Der beim Formgebungsprozess hergestellte Grünkörper mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung wird einer Wärmebehandlung unterzogen. The green body produced in the forming process with the piezoceramic starting composition is subjected to a heat treatment. Das Wärmebehandeln des Grünkörpers beinhaltet ein Kalzinieren und/oder ein Sintern. The heat treatment of the green body includes a calcining and / or sintering. Es kommt zur Bildung und zum Verdichten des sich bildenden piezokeramischen Werkstoffs. It depends on the formation and compaction of the forming piezoceramic material.
  • [0013] [0013]
    Zum Bereitstellen des Grünkörpers wird gemäß einer besonderen Ausgestaltung ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen der der Metalle Alkalimetall A, Kupfer, Niob und der Dotierung B zum Bilden der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung durchgeführt. To deploy the green body mixing oxidic metal compounds of the metals alkali metal A, copper, niobium, and the doping B is powdered in accordance with a particular embodiment, performed to form the piezoceramic starting composition. Dabei können neben Oxiden der Metalle, beispielsweise Nioboxid (Nb 2 O 5 ) und Kupferoxid (CuO), auch Vorstufen der Oxide der Metalle, beispielsweise Carbonate (Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 ) oder Oxalate eingesetzt werden. In this case, in addition to oxides of metals such as niobium (Nb 2 O 5) and copper oxide (CuO), and precursors of the oxides of metals, such as carbonates (Na 2 CO 3, K 2 CO 3) or oxalates are used. Beide Arten von Metallverbindungen, also die Vorstufen der Oxide sowie die Oxide selbst, können als oxidische Metallverbindungen bezeichnet werden. Both types of metal compounds, that is the precursors of the oxides as well as the oxides themselves, may be referred to as oxidic metal compounds.
  • [0014] [0014]
    Die Pulver der oxidischen Metallverbindungen können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Sol-Gel-, dem Citrat-, dem Hydrothermal- oder dem Oxalatverfahren. The powder of the oxidic metal compounds can be prepared by known methods, for example by the sol-gel, citrate, hydrothermal or oxalate. Dabei können oxidische Metallverbindungen mit nur einer Art Metall hergestellt werden. In this case, metal oxide compounds can be prepared with only one type of metal. Denkbar ist insbesondere auch, dass oxidische Metallverbindungen mit mehren Arten von Metallen eingesetzt werden (Mischoxide). It is conceivable, in particular, that oxidic metal compounds can be used with several kinds of metals (mixed oxides). Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird daher eine piezokeramische Ausgangszusammensetzung mit mindestens einer oxidischen Metallverbindung mit mindestens zwei der Metalle verwendet. According to a particular embodiment, therefore, a piezoelectric ceramic starting composition comprising at least one oxidic metal compound is used with at least two of the metals. Beispiele hierfür sind Natriumniobat (NaNbO 3 ) oder Kaliumniobat (KNbO 3 ). Examples include sodium niobate (NaNbO 3) or potassium niobate (KNbO 3). Zum Bereitstellen dieser Mischoxide kann auch auf die oben erwähnten Verfahren zum Herstellen der oxidischen Metallverbindungen zurückgegriffen werden. For providing these mixed oxides may be used also for the above-mentioned method of manufacturing the oxidic metal compounds. Denkbar ist auch ein Mixed-Oxide-Verfahren. Conceivable is a mixed-oxide method. Dabei werden pulverförmige Oxide der Metalle miteinander vermischt und bei höheren Temperaturen kalziniert. In this case, powdered oxides of metals are mixed together and calcined at higher temperatures. Beim Kalzinieren entstehen die Mischoxide. During calcination, the mixed oxides are formed.
  • [0015] [0015]
    Die Aufarbeitung der Metalloxide mit der Überführung in den piezokeramischen Werkstoff kann auf verschiedenen Weisen erfolgen. The processing of the metal oxides with the transfer to the piezoceramic material can be done in various ways. Denkbar ist beispielsweise, dass zunächst die Pulver der oxidischen Metallverbindungen homogen vermischt werden. It is conceivable, for example, that the first of the oxide powder metal compounds are mixed homogeneously. Es entsteht die piezokeramische Ausgangszusammensetzung in Form einer homogenen Mischung der Metalloxide. The result is the piezoelectric ceramic starting composition in the form of a homogeneous mixture of the metal oxides. Anschließend wird die piezokeramische Ausgangszusammensetzung durch Wärmebehandeln, zB durch Kalzinieren, in den piezokeramischen Werkstoff überführt. Subsequently, the piezoelectric ceramic starting composition is transferred by heat treating, for example, by calcining, in the piezo-ceramic material. Der piezokeramische Werkstoff wird zu feinem Piezokeramikpulver zermalen. The piezoceramic material is ground down to a fine piezoceramic powder. Anschließend wird aus dem feinen Piezokeramikpulver im Formgebungsprozess ein keramischer Grünkörper mit einem organischen Binder und weiteren organischen Additiven hergestellt. Subsequently, a ceramic green body is produced with an organic binder and other organic additives from the fine piezoelectric ceramic powders in the forming process. Dieser keramische Grünkörper wird entbindert und gesintert. This ceramic green body binder removal and sintered. Dabei bildet sich das piezokeramische Bauteil mit dem piezokeramische Werkstoff. In this case, the piezoceramic component with the piezoceramic material forms.
  • [0016] [0016]
    Alternativ zum beschriebenen Vorgehen können die Pulver der oxidischen Metallverbindungen homogen vermischt und im Formgebungsprozess zum keramischen Grünkörper mit organischem Binder verarbeitet werden. As an alternative to the procedure described powders of the oxidic metal compounds can be homogeneously mixed and processed for the ceramic green body with organic binder in the molding process. Auch dieser Grünkörper weist die piezokeramische Ausgangszusammensetzung auf. This green body also has the piezoceramic starting composition. Nachfolgendes Sintern führt zum piezokeramischen Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff. Subsequent sintering leads to the piezoceramic component with the piezoceramic material.
  • [0017] [0017]
    Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein piezokeramischer Bauteil mit mindestens einem Piezoelement hergestellt, das eine Elektrodenschicht mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht mit dem piezokeramischen Werkstoff aufweist. According to a particular embodiment of a piezoceramic component having at least one piezoelectric element is produced which has an electrode layer with electrode material, at least one further electrode layer with another electrode material and at least one is arranged between the electrode layers piezoelectric ceramic layer with the piezoceramic material. Ein einziges Piezoelement stellt die kleinste Einheit des piezokeramischen Bauteils dar. Zum Herstellen des Piezoelements wird beispielsweise eine keramische Grünfolie mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung beidseitig mit den Elektrodenmaterialien bedruckt. A single piezoelectric element is the smallest unit of the piezoceramic component. A ceramic green sheet with the piezoceramic starting composition, for example, to manufacture the piezo element printed on both sides with the electrode materials. Die Elekt rodenmaterialien können dabei gleich oder unterschiedlich sein. The materials can clear Elekt be different or the same. Durch nachfolgendes Entbindern und Sintern resultiert das Piezoelement. By subsequent debinding and sintering results, the piezoelectric element.
  • [0018] [0018]
    Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein Piezoelement verwendet, bei dem das Elektrodenmaterial und/oder das weitere Elektrodenmaterial mindestens ein aus der Gruppe Silber, Kupfer und Palladium ausgewähltes elementares Metall aufweisen. According to a particular embodiment, a piezoelectric element is used in which the electrode material and / or the further electrode material containing at least one selected from the group silver, copper and palladium elemental metal. Der piezokeramische Werkstoff bzw. das Piezoelement wird insbesondere durch ein gemeinsames Sintern der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung und der Elektrodenmaterials hergestellt (Cofiring). The piezoceramic material and the piezoelectric element is in particular produced by a common sintering of the piezoelectric ceramic starting composition and the electrode material (co-firing). Das Elektrodenmaterial kann dabei aus den reinen Metallen bestehen, beispielsweise nur aus Silber oder nur aus Kupfer. The electrode material can consist of the pure metals, for example, only in silver or copper. Eine Legierung der genannten Metalle ist ebenfalls möglich, beispielsweise eine Legierung aus Silber und Palladium. An alloy of the metals mentioned is also possible, for example an alloy of silver and palladium.
  • [0019] [0019]
    Das Sintern zum piezokeramischen Werkstoff kann sowohl in reduzierender oder oxidierender Sinteratmosphäre durchgeführt werden. Sintering the piezoelectric ceramic material can be carried out both in a reducing or oxidising sintering atmosphere. In einer reduzierenden Sinteratmosphäre ist nahezu kein Sauerstoff vorhanden. In a reducing sintering atmosphere is almost no oxygen is present. Ein Sauerstoffpartialdruck beträgt weniger als 1·10 -2 mbar und vorzugsweise weniger als 1·10 -3 mbar. An oxygen partial pressure is less than 1 x 10 -2 mbar and preferably less than 1 x 10 -3 mbar. Durch Sintern in einer reduzierenden Sinteratmosphäre ist kostengünstiges Kupfer als Elektrodenmaterial möglich. By sintering in a reducing sintering atmosphere is possible inexpensive copper as the electrode material.
  • [0020] [0020]
    Prinzipiell kann mit Hilfe der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung jedes beliebige piezokeramische Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt werden. In principle, can be produced by the piezo-ceramic material with the help of the piezoelectric ceramic starting composition any piezoceramic component. Das piezokeramische Bauteil weist vornehmlich mindestens ein oben beschriebenes Piezoelement auf. The piezoceramic component comprises primarily at least one piezoelectric element described above. Vorzugsweise wird das piezokeramische Bauteil mit dem Piezoelement aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt. Preferably, the piezoceramic component is selected with the piezo element from the group of piezoceramic flexural transducer, piezoceramic multilayer piezoceramic transformer, piezoceramic motor and piezoceramic ultrasonic transducer. Das Piezoelement ist beispielsweise Bestandteil eines piezoelektrischen Biegewandlers. The piezoelectric element is, for example, part of a piezoelectric bender. Durch Übereinanderstapeln einer Vielzahl von einseitig oder beidseitig mit Elektrodenmaterial bedruckten Grünfolien, nachfolgendes Entbindern und Sintern entsteht ein monolithischer Stapel aus Piezoelementen. By stacking a plurality of single-sided or double-sided printed green sheets with electrode material, subsequent debinding and sintering a monolithic stack of piezoelectric elements is formed.
  • [0021] [0021]
    Bei geeigneter Dimensionierung und Form resultiert durch das oben beschriebene Verfahren ein monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor. If appropriate dimensions and shape results by the method described above, a monolithic piezoceramic multilayer actuator. Dieser piezokeramische Vielschichtaktor wird vorzugsweise zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eingesetzt. This piezoceramic multilayer actuator is preferably used for driving a fuel injection valve of an internal combustion engine. Durch die stapelförmige Anordnung der Piezoelemente ist auch, bei geeigneter Dimensionierung und Form, ein piezokeramischer Ultraschallwandler zugänglich. Due to the stack-like arrangement of the piezo elements a piezoceramic ultrasonic transducer is also suitable dimensioning and shape available. Der Ultraschallwandler wird beispielsweise in der Medizintechnik oder zur Materialprüfung eingesetzt. The ultrasonic transducer is used for example in medical technology or for materials testing.
  • [0022] [0022]
    Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile: In summary, the invention has the following advantages:
    • – Es ist ein piezokeramischer Werkstoff zugänglich, der kein bzw. nahezu kein Blei aufweist. - It is a piezoceramic material available, having no or virtually no lead.
    • – Der piezokeramische Werkstoff weist sehr gute piezoelektrische Eigenschaften auf. - The piezoceramic material has very good piezoelectric properties. Dies betrifft beispielsweise eine relativ hohe Dehnung (d33-Koeffizient) im Klein- und Großsignalbereich oder die Curietemperatur T c , die bei über 200° C liegt. This might include a relatively high elongation (d33-coefficient) in the small and large signal range or the Curie temperature T c, which is over 200 ° C.
  • [0023] [0023]
    Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Reference to several embodiments and the accompanying figures, the invention is described below in more detail. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar. The figures are schematic and not to scale images.
  • [0024] [0024]
    1 1 zeigt ein keramisches Piezoelement in einem seitlichen Querschnitt. shows a ceramic piezo-element into a lateral cross-section.
  • [0025] [0025]
    2 2 zeigt ein piezokeramisches Bauteil mit einer Vielzahl von Piezoelementen in einem seitlichen Querschnitt. shows a piezoceramic component having a plurality of piezoelectric elements, in a lateral cross-section.
  • [0026] [0026]
    Der piezokeramische Werkstoff der Ausführungsbeispiele ist jeweils wie folgt erhältlich: Zunächst wird ein Grünkörper mit einer piezokeramischen Ausgangszusammensetzung bereitgestellt. The piezoceramic material of the embodiments is as follows, respectively obtained: First, a green body having a piezo-ceramic starting composition is provided. Dazu wird ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen (Ausgangspulver) durchgeführt. These mixing is powdery, performed oxidic metal compounds (starting powder). Diese oxidischen Metallverbindungen sind die Mischoxide NaNbO 3 und KNbO 3 , sowie CuO und GeO 2 . These oxidic metal compounds are the mixed oxides NaNbO 3 and KNbO 3, and CuO and GeO second
  • [0027] [0027]
    Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (I) werden die Ausgangspulver mit entsprechenden Anteilen für die formale Zusammensetzung (K 0,5 Na 0,5 )Cu 0,02 (Nb 0,98 Ge 0,02 )O 3 gemischt. According to a first embodiment (I), the starting powders with comparable percentages for the formal composition (K 0.5 Na 0.5) 0.02 Cu (Nb 0.98 Ge 0.02) O 3 are mixed. Dies bedeutet, dass folgende Zusammenhänge gelten: a = 1, x = 0,5, c = 0,02 und b = 0,02. This means that the following relationships apply: a = 1, x = 0.5, c = 0.02 and b = 0.02. Kupfer und Germanium sind mit 2 mol.% enthalten. Copper and germanium are included with 2 mol.%. Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel (II) lautet die Summenformel (K 0,5 Na 0,5 )Cu 0,02 (Nb 0,99 Ge 0,01 )O 3 . According to a second embodiment (II) the sum formula (K 0.5 Na 0.5) is 0.02 Cu (Nb 0.99 Ge 0.01) O 3. Im Unterschied zum vorangegangenen Beispiels gilt für den Dotierungsanteil: b = 0,01. In contrast to the previous example applies to the doping amount: b = 0.01.
  • [0028] [0028]
    Nach dem Mischen in Benzol wird in Wasser gemahlen. After mixing in benzene is milled in water. Die dabei resultierende, feine Pulvermischung wird bei 750° C vier Stunden lang kalziniert. The thereby resulting fine powder mixture is calcined at 750 ° C for four hours. Die bei dieser Wärmebehandlung entstehende, piezokeramische Zusammensetzung wird in Wasser 3 h gemahlen und in einem Formgebungsprozess zu einem Grünkörper in Form eines Pulverpresslings mit etwa 10 mm Durchmesser verpresst (isostatisches Verpressen). Produced during this heat treatment, piezoelectric ceramic composition is milled for 3 h in water and in a molding process to form a green body in the form of a powder compact with about 10 mm diameter pressed (isostatic pressing). Dieser Pulverpressling wird bei einer Temperatur von 1050° C bis 1200° C eine Stunde lang zu einer Probe gesintert. This powder compact is sintered for one hour to a sample at a temperature of 1050 ° C to 1200 ° C.
  • [0029] [0029]
    Die resultierende Probe wird beidseitig mit Elektroden durch Aufdampfen von Silber versehen und bei etwa 100° C mit einem elektrischen Feld von etwa 2,5 kV/mm gepolt. The resulting sample is provided on both sides with electrodes by vapor deposition of silver and poled at about 100 ° C with an electric field of about 2.5 kV / mm.
  • [0030] [0030]
    Die an den Proben (I) und (II) gemessenen Eigenschaften der piezokeramischen Werkstoffe sind der Tabelle. The on the samples (I) and (II) measured properties of the piezoelectric ceramic materials are of the table. Dabei sind Eps v und Eps die relativen Dielektrizitätskonstanten vor bzw. nach dem Polen, tan v und tan n der Verlustwinkel vor bzw. nach dem Polen, sowie die d 33 -Koeffizienten. Here, eps eps v and the relative dielectric constant before and after poling, tan and tan v n is the loss angle before and after poling, and d 33 coefficients. Die Curietemperatur T c beträgt jeweils etwa 350° C. The Curie temperature T c is in each case approximately 350 ° C.
  • Tabelle: Table:
  • [0031] [0031]
    In Anlehnung an das beschriebene Verfahren zur Herstellung der Proben wird ein piezokeramisches Bauteil Following the procedure described for the preparation of the samples is a piezoceramic component 1 1 mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt. produced by the piezo-ceramic material. Das piezokeramische Bauteil The piezoceramic component 1 1 ist gemäß einer ersten Ausführungsform ein Piezoaktor is according to a first embodiment of a piezoelectric actuator 1 1 in monolithischer Vielschichtbauweise ( in a monolithic multilayer structure ( 2 2 ). ). Der Piezoaktor The piezoelectric actuator 1 1 besteht aus einer Vielzahl von übereinander zu einem Stapel angeordneten Piezoelementen consists of a plurality of superposed to form a stack of piezoelectric elements 10 10 ( ( 1 1 ). ). Jedes der Piezoelemente Each of the piezoelectric elements 10 10 weist eine Elektrodenschicht has an electrode layer 11 11 , eine weitere Elektrodenschicht , A further electrode layer 12 12 und eine zwischen den Elektrodenschichten and between the electrode layers 11 11 und and 12 12 angeordnete Piezokeramikschicht arranged piezoceramic layer 13 13 auf. on. Die im Stapel benachbarten Piezoelemente The adjacent in the stack piezo elements 10 10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf. each have a common electrode layer. Die Elektrodenschichten The electrode layers 11 11 und and 12 12 weisen ein Elektrodenmaterial aus einer Silber-Palladium-Legierung auf, bei der Palladium zu einem Anteil von 5 Gew.% enthalten ist. have an electrode material of a silver-palladium alloy, wherein the palladium in an amount of 5 wt.% is included. In einer alternativen Ausführungsform bestehen die Elektrodenschichten aus (annähernd) reinem Silber. In an alternative embodiment, the electrode layers of (almost) pure silver. Gemäß einer weiteren Alternative ist das Elektrodenmaterial Kupfer. According to another alternative, the electrode material is copper.
  • [0032] [0032]
    Zum Herstellen des Piezoaktors To produce the piezoelectric actuator 1 1 werden Grünkörper in Form von Grünfolien mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung bereitgestellt. green body in the form of green films are provided with the piezoceramic starting composition. Dazu wird die Pulvermischung mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung mit einem organischen Binder und weiteren organischen Additiven vermischt. For this purpose, the powder mixture is mixed with the piezoelectric ceramic starting composition with an organic binder and other organic additives. Aus dem auf diese Weise erhaltenen Schlicker werden die keramischen Grünfolien gegossen. The ceramic green sheets are cast from the slip obtained in this way. Die Grünfolien werden getrocknet, mit einer Paste mit dem Elektrodenmaterial bedruckt, übereinander gestapelt, laminiert, entbindert und zum Piezoaktor The green films are dried, printed with a paste containing the electrode material, stacked, laminated, and the piezoelectric actuator debound 1 1 unter oxidierender Sinteratmosphäre (Silber oder Sil ber-Palladium-Legierung als Elektrodenmaterial) oder reduzierender Sinteratmosphäre (Kupfer als Elektrodenmaterial) gesintert. or reducing sintering atmosphere sintered under oxidizing sintering atmosphere (or silver over Sil-palladium alloy as the electrode material) (copper as the electrode material).
  • [0033] [0033]
    Der resultierende monolithische piezokeramische Vielschichtaktor wird zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. The resulting monolithic piezoceramic multilayer actuator is used for actuating a fuel injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • [0034] [0034]
    Weitere, nicht dargestellte Ausführungsformen wie piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Transformator oder piezokeramischer Ultraschallwandler sind mit Hilfe der neuen piezokeramischen Zusammensetzung ebenfalls zugänglich. Further, not illustrated embodiments as piezoceramic flexural transducer, piezoceramic transformer or piezoceramic ultrasonic transducers are also available using the new piezoelectric ceramic composition.
Patent Citations
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EP2113952A2 *Mar 30, 2009Nov 4, 2009TDK CorporationPiezoelectric ceramic and piezoelectric element employing it
Classifications
International ClassificationF02M51/06, C04B35/495, H01L41/18, H01L41/39
Cooperative ClassificationH01L41/273, H01L41/1873, C04B2235/3255, C04B2235/768, C04B2235/72, C04B2235/3201, C04B35/495, C04B2235/3281, C04B2235/3287, H01L41/083, C04B2235/3251, C04B2235/80
European ClassificationH01L41/39, C04B35/495, H01L41/187
Legal Events
DateCodeEventDescription
Jan 20, 20118339Ceased/non-payment of the annual fee
Mar 18, 20108364No opposition during term of opposition
Oct 4, 2007OP8Request for examination as to paragraph 44 patent law