DE102004031404A1

DE102004031404A1 - Piezoelektrisches Bauteil mit Sollbruchstelle und elektrischem Anschlusselement, Verfahren zum Herstellen des Bauteils und Verwendung des Bauteils

Info

Publication number: DE102004031404A1
Application number: DE102004031404A
Authority: DE
Inventors: Harald Johannes Kastl; Carsten Dr. Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: DE102004031404B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil (1) mit einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper (20), bei dem in einer Stapelrichtung (21) des Aktorkörpers Elektrodenschichten (101) und Piezokeramikschichten (103) abwechselnd übereinander angeordnet sind und die Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweils einen seitlichen Oberflächenabschnitt (204, 205) des Aktorkörpers geführt und dort mit einem elektrischen Anschlusselement (24) kontaktiert sind. Das piezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper mindestens eine Sollbruchstelle (100) aufweist, die bei mechanischer Überlastung zur Bildung eines bestimmten Risses (110) im Aktorkörper führt, und die Sollbruchstelle derart ausgestaltet ist, dass durch den Riss der Aktorkörper in mindestens zwei Teilstapel (22, 23) unterteilt wird und die Elektrodenschichten, die an einen gemeinsamen seitlichen Oberflächenabschnitt des Teilstapels des Aktorkörpers geführt sind, mit einem gemeinsamen Teil-Anschlusselement elektrisch kontaktiert bleiben. Mithilfe der Sollbruchstellen im Aktorkörper gelingt es, Rissbildung und Risswachstum zu kontrollieren und zu begrenzen. Ein Teil-Anschlusselement ist vorzugsweise ein elektrisch leitfähiger Draht. Verwendung findet das piezoelektrische Bauteil in der Automobiltechnik zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper, bei dem in einer Stapelrichtung des Aktorkörpers Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten abwechselnd übereinander angeordnet sind und die Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweils einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers geführt und dort mit einem elektrischen Anschlusselement kontaktiert sind. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen und eine Verwendung des piezoelektrischen Bauteils angegeben.

Ein derartiges piezoelektrisches Bauteil ist beispielsweise aus der DE 100 26 635 A1 bekannt. Der piezoelektrische Aktor (Piezoaktor) verfügt über einen monolithischen Aktorkörper aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten monolithischen Piezoelementen. Ein Piezoelement besteht aus einer Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten Piezokeramikschicht. Die Piezokeramikschicht und die Elektrodenschichten des Piezoelements sind derart miteinander verbunden, dass durch eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in die Piezokeramikschicht eingekoppelt wird. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der Piezokeramikschicht und damit zur Auslenkung des Piezoelements. Da eine Vielzahl derartiger Piezoelemente übereinander gestapelt sind, ist eine relativ starke Auslenkung des Aktorkörpers erzielbar.

Die Piezokeramikschichten der Piezoelemente bestehen aus einem Bleizirkonattitanat. Die Elektrodenschichten bestehen aus einer Silber-Palladium-Legierung. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind in Stapelrichtung benachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. An diesen Oberflächenabschnitten weist der Aktorkörper jeweils eine streifenförmige Metallisierung auf.

Im Bereich der beschriebenen Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers ist jedes der Piezoelemente piezoelektrisch inaktiv. Aufgrund der abwechselnden Führung der Elektrodenschichten an die Oberflächenabschnitte wird in einen piezoelektrisch inaktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht ein elektrisches Feld eingekoppelt, das sich deutlich von dem elektrischen Feld unterscheidet, das in einen piezoelektrisch aktiven Bereich der Piezokeramikschicht eingekoppelt wird. Der piezoelektrisch aktive Bereich der Piezokeramikschicht befindet sich im Gegensatz zum piezoelektrisch inaktiven Bereich direkt zwischen den Elektrodenschichten des Piezoelements.

Bei der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten, also beim Polarisieren der Piezokeramik und/oder im Betrieb des Piezoaktors kommt es aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder zu unterschiedlichen Auslenkungen der Piezokeramikschicht im piezoelektrisch aktiven Bereich und im piezoelektrisch inaktiven Bereich. Als Folge davon treten mechanische Spannungen im Piezoelement auf, die zu einem sogenannten Polungsriss quer zur Stapelrichtung oder zu einem Risswachstum eines bereits vorhandenen Risses führen können. Dabei kann sich ein derartiger Polungsriss bis in die an dem jeweiligen Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers angebrachte Metallisierung fortsetzen. Dies führt zu einer Unterbrechung der elektrischen Kontaktierung zumindest eines Teils der Elektrodenschichten des Aktorkörpers.

Damit ein vorhandener Polungsriss im Aktorkörper nicht zu einem Ausfall des Piezoaktors führt, ist bei dem bekannten Piezoaktor an den seitlich angebrachten Metallisierungen des Aktorkörpers jeweils ein flexibles elektrisches Anschlusselement angebracht. Jedes der flexiblen Anschlusselemente weist eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Drähten auf. Entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers sind die Drähte eines Anschlusselements an eine der Metallisierungen angelötet. Die Drähte sorgen für die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers (mittelbar über die jeweilige Metallisierung).

Zur elektrischen Kontaktierung der Drähte des Anschlusselements ist ein starrer, entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers ausgerichteter, elektrischer Anschlussstift vorhanden. An diesen Anschlussstift sind die Drähte gelötet. Es resultiert ein elektrisches Anschlusselement in Form einer "Drahtharfe". Die Kontaktierung der Drähte und der Innenelektroden des Aktorkörpers ist dabei auch dann gewährleistet, wenn es durch die Auslenkung des Aktorkörpers (Expansion und Kontraktion entlang der Stapelrichtung) zu einem Polungsriss quer zur Stapelrichtung bzw. zum Wachstum eines vorhandenen Polungsrisses quer zur Stapelrichtung kommt.

Das Anbringen der "Drahtharfe" am Aktorkörper ist ein relativ komplizierter Vorgang. Darüber hinaus kann es im dynamischen Betrieb des beschriebenen piezoelektrischen Aktors zu einer Ablenkung eines vorhandenen Polungsrisses kommen. Der Polungsriss wächst unkontrolliert. Beispielsweise wächst der Polungsriss nicht quer zur Stapelrichtung sondern parallel oder annähernd parallel zur Stapelrichtung. Es bilden sich Längsrisse im Aktorkörper. Das unkontrollierte Wachstum eines Polungsrisses kann auf ungünstigen intrinsischen und/oder extrinsischen Einflussgrößen beruhen. Intrinsische Einflussgrößen betreffen beispielsweise eine Gefügestruktur einer Piezokeramikschicht und/oder einer Elektrodenschicht.

Die Gefügestruktur kann innerhalb der jeweiligen Schicht zu einem anisotropen Risswiderstand führen. Der Risswiderstand ist innerhalb der Schicht in unterschiedlichen Richtungen verschieden. Extrinsische Einflussgrößen basieren beispielsweise auf einer elektrischen Anstiegsflanke im dynamischen Betrieb oder auf einer unzureichenden Klemmung des Aktorkörpers. Als Folge des unkontrollierten Wachstums eines Polungsrisses kann es zum Ausfall des piezoelektrischen Aktors kommen. Eine Zuverlässigkeit des Aktors ist nicht gewährleistet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein piezoelektrisches Bauteil bereitzustellen, das im Vergleich zum bekannten Stand der Technik einfacher herzustellen ist und gleichzeitig eine höhere Zuverlässigkeit aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper angegeben, bei dem in einer Stapelrichtung des Aktorkörpers Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten abwechselnd übereinander angeordnet sind und die Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweils einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers geführt und dort mit einem elektrischen Anschlusselement kontaktiert sind. Das piezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper mindestens eine Sollbruchstelle aufweist, die bei mechanischer Überlastung zur Bildung eines bestimmten Risses im Aktorkörper führt, und die Sollbruchstelle derart ausgestaltet ist, dass durch den Riss der Aktorkörper in mindestens zwei Teilstapel unterteilt wird und die Elektrodenschichten, die an einen gemeinsamen seitlichen Oberflächenabschnitt des Teilstapels des Aktorkörpers geführt sind, mit einem gemeinsamen Teil-Anschlusselement elektrisch kontaktiert bleiben.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines monolithischen, stapelförmigen Aktorkörpers mit in einer Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd übereinander angeordneten Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten, wobei die Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweils einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers geführt sind, und mit mindestens einer Sollbruchstelle, die bei mechanischer Überlastung zur Bildung eines Risses im Aktorkörper führt der den Aktorkörper in mindestens zwei Teilstapel unterteilt, und b) Anordnen eines gemeinsamen elektrischen Teil-Anschlusselements an einen gemeinsamen seitlichen Oberflächenabschnitt des Teilstapels des Aktorkörpers zur gemeinsamen elektrischen Kontaktierung von Elektrodenschichten des Teilstapels.

Zum Bereitstellen des Aktorkörpers werden keramische Grünfolien, die eine Piezokeramik (z.B. Bleizirkonattitanat) aufweisen, mit einer Metallpaste (z.B. mit einer Silber-Palladium-Legierung) bedruckt, übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Aus den Grünfolien bilden sich die Piezokeramikschichten. Eine Schichtdicke der gebildeten Piezokeramikschichten beträgt beispielsweise etwa 80 μm. Aus der aufgedruckten Metallpaste bilden sich die Elektrodenschichten (Innenelektroden). Eine Schichtdicke der resultierenden Elektrodenschichten beträgt beispielsweise 2 μm. Vor oder nach dem Sintern werden an zwei seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers Metallisierungsbahnen angebracht.

Der Aktorkörper ist derart ausgestaltet, dass eine oder mehrere Sollbruchstellen vorhanden sind. Eine Sollbruchstelle ist ein Bestandteil des Aktorkörpers, der bei Überlastung, vergleichbar mit einer Sicherung, durch Bildung eines Risses bzw. durch Wachstum eines vorhandenen Risses zerstört wird. Dabei ist der Riss im Wesentlichen auf die Sollbruchstelle beschränkt. Es wird nur die Sollbruchstelle zerstört, nicht aber der gesamte Aktorkörper oder andere Bereiche des Aktorkörpers. Der Riss ist lokal auf die Sollbruchstelle beschränkt und breitet sich nicht in andere Bereiche des Aktorkörpers aus. Dadurch ist es möglich, die Bildung eines Risses bzw. das Wachstum eines Risses zu kontrollieren.

Der Riss führt zu einem Bruch des monolithischen Aktorkörpers an der Sollbruchstelle. Der Bruch ist ein Vorgang, der einer mechanisch induzierten Verformung eines Werkstoffes ein Ende setzt. Der Bruch ist insbesondere ein Sprödbruch. Der Sprödbruch kann durch Kriechen (Kriechbruch) und insbesondere durch Ermüdung (Ermüdungsbruch) verursacht werden. Unter Ermüdung wird ein Versagen von Werkstoffen durch fortschreitendes Risswachstum verstanden, das durch wiederholte (mechanische) Spannungszyklen verursacht wird.

Mit dem Riss kommt es zu einer Unterteilung des Aktorkörpers in mindestens zwei Teilstapel. Innerhalb jedes Teilstapels sind die Elektrodenschichten an seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. Die Teil-Anschlusselemente sind derart ausgestaltet, dass trotz Bildung eines Risses die Elektrodenschichten der Teilstapel des Aktorkörpers elektrisch kontaktiert bleiben. Das Teil-Anschlusselement bzw. die Teil-Anschlusselemente sind mit Hilfe eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmittels an die seitlichen Oberflächenabschnitte elektrisch und mechanisch kontaktiert. Das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel ist beispielsweise ein Leitklebstoff oder ein Lot. Das Teil-Anschlusselement bzw. die Teil-Anschlusselemente sind an die Oberflächenabschnitte geklebt oder gelötet.

Ein elektrisches Teil-Anschlusselement ist vorzugsweise ein flexibles elektrisches Teil-Anschlusselement. Das elektrische Teil-Anschlusselement sorgt für die bleibende elektrische Kontaktierung von Elektrodenschichten des Teilstapels. Dadurch, dass trotz auftretenden Risses die Elektrodenschichten des Teilstapels elektrisch ansteuerbar bleiben, findet nach wie vor eine Auslenkung des Teilstapels statt. Das flexible Teil-Anschlusselement kann dabei der Expansion und der Kontraktion des Teilstapels des Aktorkörpers folgen.

In einer besonderen Ausgestaltung weist das elektrische Teil-Anschlusselement einen elektrisch leitfähigen Draht auf. Denkbar ist auch eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Drähten. Das Teil-Anschlusselement ist beispielsweise ein Drahtgeflecht oder eine "Drahtharfe".

Das Teil-Anschlusselement bzw. die Teil-Anschlusselemente eines jeden Teilstapels sind derart ausgelegt, dass eine für die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten des Teilstapels notwendige Stromstragfähigkeit gewährleistet ist. Darüber hinaus ist das Teil-Anschlusselement derart ausgestaltet, dass die Auslenkung des jeweiligen Teilstapels berücksichtigt wird. Beispielsweise kann es Teilstapel des Aktorkörpers geben, die sich durch eine geringe Auslenkung auszeichnen. Ein Teilstapel mit einer geringen Auslenkung befindet sich beispielsweise in der Nähe einer festen Bodenplatte. Ein für die Kontaktierung der Elektrodenschichten eines solchen Teilstapels ausgelegtes Teil-Anschlusselement benötigt eine relativ geringe Flexibilität. So genügt es beispielsweise, Elektrodenschichten (gleicher Polarität) eines Teilstapels mit einer geringen Auslenkung nur mit einem einzigen, relativ dicken Draht zu kontaktieren. Dagegen kann es vorteilhaft sein, Elektrodenschichten eines Teilstapels, der sich durch eine starke Auslenkung auszeichnet, mit mehreren, dafür aber dünneren und flexibleren Drähten elektrisch zu kontaktieren. Aber auch hier ist ein einziger elektrisch leitfähiger Draht als Teil-Anschlusselement zu bevorzugen. Denn ein einzelner Draht als Teilanschlusselement führt zu einem im Vergleich zum Stand der Technik vereinfachten Design und zu einem vereinfachten Kontaktierungsverfahren.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das Teil-Anschlusselement eine strukturierte, elektrisch leitfähige Folie auf. Diese Folie ist beispielsweise eine Metallfolie. Denkbar ist auch eine Kunststofffolie, auf der elektrisch leitendes Material strukturiert aufgebracht ist. Die strukturierte, elektrisch leitfähige Folie übernimmt die gleiche Funktion wie die oben beschriebenen Drähte. Die Folie kann durch unterschiedlich ausgestaltete Stege und Ausnehmungen unterschiedliche Stromtragfähigkeiten und unterschiedliche Auslenkungsmöglichkeiten gewährleisten.

In einer besonderen Ausgestaltung ist die Sollbruchstelle von zumindest einer aus der Gruppe Piezokeramikschicht und/oder Elektrodenschicht und/oder piezoelektrisch inaktiven Keramikschicht ausgewählten Teilschicht des Aktorkörpers gebildet. Die piezoelektrisch inaktive Keramikschicht trägt nicht bzw. nahezu nicht zur Auslenkung des Aktorkörpers bei. Sie fungiert lediglich als Sicherheitsschicht. Die piezoelektrisch inaktive Schicht ist relativ dünn. Eine Schichtdicke der piezoelektrisch inaktiven Schicht beträgt beispielsweise 20 μm. Die inaktive Keramikschicht ist beispielsweise eine Schicht aus Zirkoniumoxid (ZrO₂). Denkbar sind auch andere keramische Werkstoffe. Die Auswahl der keramischen Werkstoffe der piezoelektrisch inaktiven Keramikschicht basiert u.a. auf der chemischen Reaktivität gegenüber der Piezokeramik und/oder gegenüber dem Elektrodenmaterial. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ebenfalls zu berücksichtigen. Zum Bereitstellen des Aktorkörpers werden keramische Grünfolien mit der piezoelektrisch inaktiven Keramik und keramische Grünfolien mit der Piezokeramik übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Es resultiert ein monolithischer Aktorkörper mit Sollbruchstellen, die entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers verteilt sind.

In einer besonderen Ausgestaltung ist die Sollbruchstelle von einer der Teilschichten des Aktorkörpers gebildet, wobei ein Risswiderstand der Teilschicht kleiner ist als der Risswiderstand weiterer Teilschichten des Aktorkörpers. Dies bedeutet, dass eine Bruchfestigkeit eines Materials der Teilschicht des Aktorkörpers mit der Sollbruchstelle kleiner ist als eine Bruchfestigkeit der Materialien der weiteren Teilschichten des Aktorkörpers. Die Teilschicht mit der Sollbruchstelle ist das schwächste Glied innerhalb des Aktorkörpers. Bei mechanischer Überlastung des Aktorkörpers entsteht ein Riss in dieser Teilschicht.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Sollbruchstelle von einer Grenzfläche zwischen mindestens zwei der Teilschichten des Aktorkörpers gebildet, wobei eine Haftfestigkeit dieser Teilschichten aneinander im Vergleich zur Haftfestigkeit weiterer Teilschichten des Aktorkörpers aneinander kleiner ist. Die Grenzfläche zwischen zwei Teilschichten, beispielsweise die Grenzfläche zwischen einer Elektrodenschicht und einer benachbarten Piezokeramikschicht, ist das schwächste Glied. Bei mechanischer Überlastung entsteht ein Riss an der Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht.

Um unterschiedliche Risswiderstände bzw. Haftfestigkeiten der Teilschichten des Aktorkörpers zu erzielen, unterscheiden sich beispielsweise die verwendeten Elektrodenwerkstoffe der Elektrodenschichten voneinander. Dies betrifft beispielsweise ihre chemische Zusammensetzung und/oder ihre Materialstruktur. Die Materialstruktur betrifft beispielsweise einen Aufbau (z.B. Core-Shell-Struktur) und eine Größe bzw. eine Größenverteilung von Körnern der Elektrodenwerkstoffe sowie ein Gefüge der Elektrodenwerkstoffe. Das Gefüge betrifft beispielsweise eine Porosität eines Elektrodenwerkstoffs. Eine unterschiedliche Porosität des Elektrodenwerkstoffs lässt sich beispielsweise durch Verwendung unterschiedlicher Metallpasten bei der Herstellung des Piezoelements realisieren. Die Metallpasten werden zur Bildung der Elektrodenschichten auf eine oder mehrere Elektrodenschichten gedruckt. Die unterschiedlichen Metallpasten zeichnen sich beispielsweise durch unterschiedliche Binder- und/oder Feststoffgehalte aus. Als Binder und/oder Feststoffe werden beispielsweise Stoffe eingesetzt, die sich beim Sintern zersetzen. Derartige Stoffe bestehen beispielsweise aus Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoffen. Beispielsweise beinhalten die Metallpasten Kunststoffkügelchen. Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser beträgt 0,1 μm bis 2,0 μm. Beim Entbindern bzw. beim Sintern brennen die Kunststoffkügelchen aus. Es verbleiben in den beim Sintern entstehenden Elektrodenschichten Poren. Unterschiedliche Porenanteile und/oder Porengrößen führen zu unterschiedlichen Risswiderständen und Haftfestigkeiten.

Eine gleiche Vorgehensweise ist bei den Piezokeramikschichten möglich. Es muss zur Ausbildung einer Sollbruchstelle keine piezoelektrisch inaktive Keramikschicht im Aktorkörper integriert sein. Als Sollbruchstelle ist eine Piezokeramikschicht denkbar, die sich in ihrer Zusammensetzung und/oder ihrer Gefügestruktur von den anderen Piezokeramikschichten unterscheidet. Die Zusammensetzung bzw. die Gefügestruktur sind derart ausgestaltet, dass ein Risswiderstand der Piezokeramikschicht mit der Sollbruchstelle kleiner ist als der Risswiderstand der anderen Piezokeramikschichten.

Innerhalb des Aktorkörpers kann eine einzige Sollbruchstelle vorgesehen sein. Der Aktorkörper wird durch die Bildung eines Risses in zwei Teilstapel unterteilt. Vorzugsweise sind aber mehrere Sollbruchstellen entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers verteilt. Der Aktorkörper ist in mehrere Teilstapel unterteilt. Dabei können einzelne Teilstapel im Wesentlichen gleich hoch sein. Dies bedeutet, dass die Sollbruchstellen in regelmäßigen Abständen voneinander innerhalb des Aktorkörpers angeordnet sind. Denkbar ist darüber hinaus, dass die Sollbruchstellen in unregelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind. Denkbar ist beispielsweise, dass die Abstände der Sollbruchstellen in Bereichen des Aktorkörpers größer sind, in denen eine relativ schwache Auslenkung stattfindet. Dagegen können die Abstände zwischen den Sollbruchstellen in Bereichen des Aktorkörpers kleiner sein, in denen stärkere Auslenkungen auftreten. Es resultieren unterschiedlich hohe Teilstapel. Pro Teilstapel kann wiederum für an einen gemeinsamen Oberflächenabschnitt geführte Elektrodenschichten ein einziger Draht als Teil-Anschlusselement vorgesehen sein. Auch hier kann der Draht entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Teilstapels ausgestaltet sein. Dies betrifft eine Stromtragfähigkeit des Drahts und eine Flexibilität des Drahts.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:

– Mit Hilfe der Sollbruchstellen gelingt es, Rissbildung und Risswachstum (insbesondere von Längsrissen) in einem piezoelektrischen Bauteil zu kontrollieren und zu begrenzen. Es resultiert ein im Vergleich zum Stand der Technik zuverlässigeres Bauteil.
– Durch die Kontrolle der Risse vereinfacht sich die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten des Bauteils.
– Das Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils bzw. zum elektrischen Kontaktieren von Teilstapeln des piezoelektrischen Aktorkörpers des Bauteils kann in bestehende Herstellverfahren für Piezoaktoren integriert werden.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

1 zeigt ein Piezoelement im seitlichen Querschnitt.

2A bis 2C zeigen einen Ausschnitt eines monolithischen Aktorkörpers mit einem an einer Sollbruchstelle entstandenen Riss.

3 zeigt einen Ausschnitt eines piezoelektrischen Bauteils in Form eines Piezoaktors mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise von der Seite.

4A und 4B zeigen einen Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise mit mehreren Sollbruchstellen von der Seite.

Das piezoelektrische Bauteil 1 ist ein piezoelektrischer Aktor mit einem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise (3). Eine Grundfläche des Aktorkörpers 20 ist quadratisch.

Der Aktorkörper 20 besteht aus übereinander gestapelten Piezoelementen 10 (1). Ein Piezoelement 10 besteht dabei aus einer Elektrodenschicht 101, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht 102 und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten 101 und 102 angeordneten Piezokeramikschicht 103. Die Piezokeramikschicht 103 ist aus einem Bleizirkonattitanat und weist eine Schichtdicke von etwa 80 μm auf. Die Elektrodenschichten 101 und 102 sind aus einer Silber-Palladium-Legierung und verfügen über eine Schichtdicke von etwa 2 μm.

Die Elektrodenschichten 101 und 102 sind derart an den Hauptflächen der Piezokeramikschicht 103 angeordnet, dass durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 101 und 102 ein elektrisches Feld in die Piezokeramikschicht 103 eingekoppelt wird, so dass es zur Auslenkung der Piezokeramikschicht 103 und damit zur Auslenkung des Piezoelements 10 kommt.

Zur elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten 101 und 102 an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 104 und 105 des Piezoelements 10 geführt. An diesen Oberflächenabschnitten 104 und 105 sind die beiden Elektrodenschichten 101 und 102 jeweils mit einem (in 1 nicht dargestellten) elektrischen Anschlusselement elektrisch kontaktiert. Durch die Führung der Elektrodenschichten 101 und 102 an die voneinander getrennten Oberflächenabschnitte 104 und 105 verfügt das Piezoelement 10 über einen piezoelektrisch aktiven Bereich 106 und mindestens über zwei piezoelektrisch inaktive Bereiche 107.

Eine Vielzahl von Piezoelementen 10 ist derart zu dem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper 20 angeordnet, dass benachbarte Piezoelemente 200 und 201 gemeinsame Elektrodenschicht 202 und 203 aufweisen, die in Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 abwechselnd an zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 204 und 205 des Aktorkörpers 20 geführt sind. Der Aktorkörper 20 besteht also aus einer Vielzahl von abwechselnd übereinander gestapelten Piezokeramikschichten und Elektrodenschichten.

Der seitliche Oberflächenabschnitt 204 des Aktorkörpers 20 wird von den seitlichen Oberflächenabschnitten 104 der Piezoelemente 10 gebildet. Der weitere seitliche Oberflächenabschnitt 205 des Aktorkörpers 20 wird von den weiteren seitlichen Oberflächenabschnitten 105 der Piezoelemente 10 gebildet. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 101 und der weiteren Elektrodenschichten 102 sind an den seitlichen Oberflächenabschnitte 204 und 205 des Aktorkörpers 20 Metallisierungsbahnen 206 angebracht, an die über Lotbahnen 207 elektrische Anschlusselemente 24 angelötet sind. Jedes der elektrischen Anschlusselemente 24 besteht aus elektrisch leitfähigen Drähten 241, wobei die Drähte 241 zum Beaufschlagen der Elektrodenschichten mit dem gleichen elektrischen Potential an einen gemeinsamen, starren elektrischen Anschlussstift 242 (über die Lotbahnen 243) gelötet sind. Alternativ dazu besteht jedes der Anschlusselemente 24 aus einer strukturierten, elektrisch leitfähigen Metallfolie.

Der Aktorkörper 20 weist mindestens eine Sollbruchstelle 100 auf. Dabei kann die Sollbruchstelle 100 direkt von einer Elektrodenschicht 101 gebildet sein (2A). Die Elektrodenschicht 101 zeichnet sich durch einen relativ geringen Risswiderstand aus. Bei der mechanischen Überlastung des Aktorkörpers 20 bildet sich in der Elektrodenschicht 100 ein Riss 110.

Die Sollbruchstelle 100 des Aktorkörpers 20 wird in einer zweiten Ausführungsform von der Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht 101 und der Piezokeramikschicht 103 gebildet (2B). Die Haftfestigkeit dieser Schichten an der Grenzfläche ist relativ gering, so dass bei einer mechanischen Überlastung des Aktorkörpers 20 an der Grenzfläche 108 ein Riss 110 entsteht.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Sollbruchstelle 100 von einer Keramikschicht 109 gebildet, die aus einer piezoelektrisch inaktiver Keramik besteht (2C). Diese Keramikschicht 109 fungiert als Sicherheitsschicht. Der Risswiderstand der Keramikschicht 109 ist geringer als der Risswiderstand der Piezokeramikschichten 103 oder der Elektrodenschichten 101. Ebenso sind die Haftfestigkeiten zwischen den Schichten höher als der Risswiderstand der Keramikschicht 109. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Risses 110 in der Keramikschicht 109 deutlich höher als die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Risses in anderen Schichten oder an Grenzflächen zwischen Schichten des Aktorkörpers 20.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist eine der Elektrodenschichten als Sollbruchstelle 100 ausgestaltet (3). Der Aktorkörper 20 besteht aus zwei benachbarten Piezoelementen 10 mit der Sollbruchstelle 100 und einer Vielzahl von weiteren Piezoelementen 10, die über keine Sollbruchstelle 100 verfügen. Bei mechanischer Überlastung des Aktorkörpers 20 kommt es zu einer Rissbildung an der Sollbruchstelle 100. Dadurch wird der Aktorkörper 20 in zwei Teilstapel 22 und 23 unterteilt. Die Elektrodenschichten 221 eines Teilstapel 22, die an jeweils einem gemeinsamen Oberflächenabschnitt 204 des Aktorkörpers 20 geführt sind, bleiben bei Auftreten des Risses 110, der sich in die Metallisierungsbahn 206 und die Lotbahn 207 erstreckt, mit den elektrisch leitfähigen Drähten 223 eines elektrischen Teil-Anschlusselements 222 elektrisch kontaktiert.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel sind mehrere Sollbruchstellen 100 vorhanden. Die Sollbruchstellen 100 sind von Sicherheitsschichten aus einer piezoelektrisch inaktiven Keramik gebildet. Die Sicherheitsschichten sind etwa 20 μm dick und erstrecken sich entlang der gesamten quadratischen Grundfläche des Aktorkörpers. Entlang der Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 ändert sich der Abstand zwischen den Sicherheitsschichten (4A). Dadurch wird der Aktorkörper 20 in mehrere, unterschiedlich hohe Teilstapel 22 unterteilt. In einem Bereich relativ schwacher Auslenkung 25 sind die Teilstapel 22 relativ hoch. In Richtung des Bereichs 26 relativ starker Auslenkung des Aktorkörpers nimmt die Höhe der Teilstapel ab. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten der Teilstapel 22, die mit dem gleichen elektrischen Potential angesteuert werden sollen, ist jeweils ein einziges Teil-Anschlusselement in Form eines Drahtes 223 an den jeweiligen Oberflächenabschnitt 204 bzw. 205 gelötet.

Alternativ dazu sind pro Teilstapel 22 und pro seitlichem Oberflächenabschnitt 204 oder 205 des Teilstapels mehrere Drähte vorhanden. Die Elektrodenschichten der Teilstapel werden jeweils über "Drahtharfen" elektrisch kontaktiert. In einer Weiterbildung sind die Elektrodenschichten der Teilstapel 22 im Bereich schwacher Auslenkung 25 mit einem relativ dicken Draht und die Elektrodenschichten der Teilstapel im Bereich starker Auslenkung mit "Drahtharfen" kontaktiert.

Zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils 1 wird zunächst ein monolithischer Aktorkörper mit einer Vielzahl von abwechselnd übereinander angeordneten Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten bereitgestellt. An bestimmten Stellen des Aktorkörpers sind Sollbruchstellen 100 integriert. An den seitlichen Oberflächenabschnitten 204 und 205 ist jeweils eine Metallisierungsbahn 206 angebracht. An diese Metallisierungsbahnen werden elektrische Teil-Anschlusselemente derart angelötet, dass pro Teilstapel die Elektrodenschichten, die gemeinsam kontaktiert werden sollen, über ein gemeinsames Teil-Anschlusselement elektrisch (und mechanisch) kontaktiert sind.

Claims

Piezoelektrisches Bauteil (1) mit einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper (20), bei dem – in einer Stapelrichtung(21) des Aktorkörpers (20) Elektrodenschichten (101, 202, 203) und Piezokeramikschichten (103) abwechselnd übereinander angeordnet sind und – die Elektrodenschichten (101, 202, 103) zur elektrischen Kontaktierung an jeweils einen seitlichen Oberflächenabschnitt (204, 205) des Aktorkörpers (20) geführt und dort mit einem elektrischen Anschlusselement (24) kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktorkörper (20) mindestens eine Sollbruchstelle (100) aufweist, die bei mechanischer Überlastung zur Bildung eines bestimmten Risses (110) im Aktorkörper ( 2 0) führt , und – die Sollbruchstelle (100) derart ausgestaltet ist, dass durch den Riss (110) der Aktorkörper (20) in mindestens zwei Teilstapel (22, 23) unterteilt wird und die Elektrodenschichten (221), die an einen gemeinsamen seitlichen Oberflächenabschnitt(204) des Teilstapels (22) des Aktorkörpers (20) geführt sind, mit einem gemeinsamen Teil-Anschlusselement (222) elektrisch kontaktiert bleiben.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei das elektrische Teil-Anschlusselement (222) einen elektrisch leitfähigen Draht (223) aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrische Teil-Anschlusselement (222) eine strukturierte elektrisch leitfähige Folie aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sollbruchstelle (100) von zumindest einer aus der Gruppe Piezokeramikschicht (103) und/oder Elektrodenschicht (101) und/oder piezoelektrisch inaktive Keramikschicht (109) ausgewählten Teilschicht des Aktorkörpers (20) gebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 4, wobei die Sollbruchstelle (100) von einer der Teilschichten des Aktorkörpers (20) gebildet ist und ein Risswiderstand der Teilschicht kleiner ist als der Risswiderstand weiterer Teilschichten des Aktorkörpers (20).
Bauteil nach Anspruch 4, wobei die Sollbruchstelle (100) von einer Grenzfläche (108) zwischen mindestens zwei der Teilschichten des Aktorkörpers gebildet ist und eine Haftfestigkeit der Teilschichten aneinander im Vergleich zur Haftfestigkeit weiterer Teilschichten des Aktorkörpers aneinander kleiner ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines monolithischen, stapelförmigen Aktorkörpers mit – in einer Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd übereinander angeordneten Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten, wobei die Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweils einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers geführt sind, und – mindestens einer Sollbruchstelle, die bei mechanischer Überlastung zur Bildung eines Risses im Aktorkörper führt, der den Aktorkörper in mindestens zwei Teilstapel unterteilt, und b) Anordnen eines gemeinsamen elektrischen Teil-Anschlusselements an einen gemeinsamen seitlichen Oberflächenabschnitt des Teilstapels des Aktorkörpers zur gemeinsamen elektrischen Kontaktierung von Elektrodenschichten des Teilstapels.
Verwendung eines piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Ansteuern eines Ventils und insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.