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    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.The invention relates to a piezoelectric component (1) having a monolithic, stacked actuator body (20) in which electrode layers (101) and piezoceramic layers (103) are alternately arranged one above the other in a stacking direction (21) of the actuator body and the electrode layers are arranged to make electrical contact with each other a side surface portion (204, 205) of the actuator body out and contacted there with an electrical connection element (24). The piezoelectric component is characterized in that the actuator body has at least one predetermined breaking point (100), which leads to the formation of a certain crack (110) in the actuator body in the case of mechanical overload, and the predetermined breaking point is configured such that the actuator body is divided into at least two by the crack Partial stack (22, 23) is divided and the electrode layers, which are guided on a common side surface portion of the sub-stack of the actuator body, remain electrically contacted with a common part-connection element. The predetermined breaking points in the actuator body make it possible to control and limit cracking and crack growth. A partial connection element is preferably an electrically conductive wire. Use finds the piezoelectric component in automotive technology for driving an injection valve of an internal combustion engine.
    公开号:DE102004031404A1
    申请号:DE200410031404
    申请日:2004-06-29
    公开日:2006-02-02
    发明作者:Harald Johannes Kastl；Carsten Dr. Schuh
    申请人:Siemens AG；
    IPC主号:F02M51-06
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit einem monolithischen,stapelförmigenAktorkörper,bei dem in einer Stapelrichtung des Aktorkörpers Elektrodenschichten undPiezokeramikschichten abwechselnd übereinander angeordnet sindund die Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweilseinen seitlichen Oberflächenabschnittdes Aktorkörpersgeführtund dort mit einem elektrischen Anschlusselement kontaktiert sind.Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen und eine Verwendungdes piezoelektrischen Bauteils angegeben.TheThe invention relates to a piezoelectric component with a monolithic,stackedactuator body,in which in a stacking direction of the actuator body electrode layers andPiezoceramic layers are arranged alternately one above the otherand the electrode layers for making electrical contact with eacha lateral surface sectionof the actuator bodyguidedand contacted there with an electrical connection element.In addition, a method of manufacturing and useof the piezoelectric component specified.
    [0002] Einderartiges piezoelektrisches Bauteil ist beispielsweise aus der DE 100 26 635 A1 bekannt. Derpiezoelektrische Aktor (Piezoaktor) verfügt über einen monolithischen Aktorkörper auseiner Vielzahl von übereinandergestapelten monolithischen Piezoelementen. Ein Piezoelement bestehtaus einer Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschichtund mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordnetenPiezokeramikschicht. Die Piezokeramikschicht und die Elektrodenschichtendes Piezoelements sind derart miteinander verbunden, dass durcheine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten ein elektrischesFeld in die Piezokeramikschicht eingekoppelt wird. Aufgrund deseingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der Piezokeramikschichtund damit zur Auslenkung des Piezoelements. Da eine Vielzahl derartigerPiezoelemente übereinandergestapelt sind, ist eine relativ starke Auslenkung des Aktorkörpers erzielbar.Such a piezoelectric component is for example from the DE 100 26 635 A1 known. The piezoelectric actuator (piezoelectric actuator) has a monolithic actuator body made of a plurality of stacked monolithic piezoelectric elements. A piezoelectric element consists of an electrode layer, at least one further electrode layer and at least one piezoceramic layer arranged between the electrode layers. The piezoceramic layer and the electrode layers of the piezoelectric element are connected to one another in such a way that an electric field is coupled into the piezoceramic layer as a result of electrical activation of the electrode layers. Due to the coupled-in electric field, the piezoelectric ceramic layer is deflected and thus the piezoelement is deflected. Since a plurality of such piezoelectric elements are stacked one above the other, a relatively strong deflection of the actuator body can be achieved.
    [0003] DiePiezokeramikschichten der Piezoelemente bestehen aus einem Bleizirkonattitanat.Die Elektrodenschichten bestehen aus einer Silber-Palladium-Legierung.Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind in Stapelrichtungbenachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinanderisolierte, seitliche Oberflächenabschnittedes Aktorkörpersgeführt.An diesen Oberflächenabschnittenweist der Aktorkörperjeweils eine streifenförmigeMetallisierung auf.ThePiezoceramic layers of the piezoelectric elements consist of a lead zirconate titanate.The electrode layers consist of a silver-palladium alloy.For electrical contacting of the electrode layers are in the stacking directionadjacent electrode layers alternately on two electrically from each otherisolated, lateral surface sectionsof the actuator bodyguided.At these surface sectionshas the actuator bodyeach a strip-shapedMetallization on.
    [0004] ImBereich der beschriebenen Oberflächenabschnittedes Aktorkörpersist jedes der Piezoelemente piezoelektrisch inaktiv. Aufgrund derabwechselnden Führungder Elektrodenschichten an die Oberflächenabschnitte wird in einenpiezoelektrisch inaktiven Bereich der piezoelektrischen Schichtein elektrisches Feld eingekoppelt, das sich deutlich von dem elektrischenFeld unterscheidet, das in einen piezoelektrisch aktiven Bereichder Piezokeramikschicht eingekoppelt wird. Der piezoelektrisch aktive Bereichder Piezokeramikschicht befindet sich im Gegensatz zum piezoelektrischinaktiven Bereich direkt zwischen den Elektrodenschichten des Piezoelements.in theArea of the described surface sectionsof the actuator bodyeach of the piezoelectric elements is piezoelectrically inactive. Due to thealternating leadershipthe electrode layers to the surface portions is in apiezoelectrically inactive region of the piezoelectric layeran electric field coupled, which differs significantly from the electricField differs into a piezoelectrically active areathe piezoceramic layer is coupled. The piezoelectrically active areaThe piezoceramic layer is in contrast to the piezoelectricinactive area directly between the electrode layers of the piezoelectric element.
    [0005] Beider elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten, also beimPolarisieren der Piezokeramik und/oder im Betrieb des Piezoaktorskommt es aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder zu unterschiedlichenAuslenkungen der Piezokeramikschicht im piezoelektrisch aktivenBereich und im piezoelektrisch inaktiven Bereich. Als Folge davon tretenmechanische Spannungen im Piezoelement auf, die zu einem sogenanntenPolungsriss quer zur Stapelrichtung oder zu einem Risswachstum eines bereitsvorhandenen Risses führenkönnen.Dabei kann sich ein derartiger Polungsriss bis in die an dem jeweiligenOberflächenabschnittdes Aktorkörpers angebrachteMetallisierung fortsetzen. Dies führt zu einer Unterbrechungder elektrischen Kontaktierung zumindest eines Teils der Elektrodenschichtendes Aktorkörpers.atthe electrical control of the electrode layers, ie atPolarizing the piezoceramic and / or during operation of the piezoelectric actuatorit comes due to the different electrical fields to differentDeflections of the piezoceramic layer in the piezoelectrically activeArea and in the piezoelectrically inactive area. As a result, joinmechanical stresses in the piezoelectric element, resulting in a so-calledPolungsriss transverse to the stacking direction or to a crack growth of an alreadylead to existing crackcan.In this case, such a poling crack up to the at the respectivesurface sectionattached to the actuator bodyContinue metallization. This leads to an interruptionthe electrical contacting of at least a portion of the electrode layersof the actuator body.
    [0006] Damitein vorhandener Polungsriss im Aktorkörper nicht zu einem Ausfalldes Piezoaktors führt, istbei dem bekannten Piezoaktor an den seitlich angebrachten Metallisierungendes Aktorkörpersjeweils ein flexibles elektrisches Anschlusselement angebracht.Jedes der flexiblen Anschlusselemente weist eine Vielzahl von elektrischleitfähigenDrähten auf.Entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers sind die Drähte einesAnschlusselements an eine der Metallisierungen angelötet. DieDrähtesorgen fürdie elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers (mittelbar über diejeweilige Metallisierung).In order toan existing poling crack in the actuator body does not lead to a failureof the piezoelectric actuator leads isin the known piezoelectric actuator to the laterally mounted metallizationsof the actuator bodyeach mounted a flexible electrical connection element.Each of the flexible connection elements has a plurality of electricalconductiveWires up.Along the stacking direction of the actuator body are the wires of aConnection element soldered to one of the metallizations. Thewirestake care ofthe electrical contacting of the electrode layers of the actuator body (indirectly via therespective metallization).
    [0007] Zurelektrischen Kontaktierung der Drähte des Anschlusselements istein starrer, entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers ausgerichteter,elektrischer Anschlussstift vorhanden. An diesen Anschlussstiftsind die Drähtegelötet.Es resultiert ein elektrisches Anschlusselement in Form einer "Drahtharfe". Die Kontaktierungder Drähteund der Innenelektroden des Aktorkörpers ist dabei auch dann gewährleistet,wenn es durch die Auslenkung des Aktorkörpers (Expansion und Kontraktionentlang der Stapelrichtung) zu einem Polungsriss quer zur Stapelrichtungbzw. zum Wachstum eines vorhandenen Polungsrisses quer zur Stapelrichtung kommt.toelectrical contacting of the wires of the connection element isa rigid, aligned along the stacking direction of the actuator body,electrical connection pin available. At this pinare the wiressoldered.The result is an electrical connection element in the form of a "wire harp". The contactthe wiresand the internal electrodes of the actuator body is ensured even thenif it is due to the deflection of the actuator body (expansion and contractionalong the stacking direction) to a poling crack transverse to the stacking directionor to the growth of an existing polarity crack transverse to the stacking direction.
    [0008] DasAnbringen der "Drahtharfe" am Aktorkörper istein relativ komplizierter Vorgang. Darüber hinaus kann es im dynamischenBetrieb des beschriebenen piezoelektrischen Aktors zu einer Ablenkungeines vorhandenen Polungsrisses kommen. Der Polungsriss wächst unkontrolliert.Beispielsweise wächstder Polungsriss nicht quer zur Stapelrichtung sondern parallel oderannäherndparallel zur Stapelrichtung. Es bilden sich Längsrisse im Aktorkörper. Dasunkontrollierte Wachstum eines Polungsrisses kann auf ungünstigenintrinsischen und/oder extrinsischen Einflussgrößen beruhen. Intrinsische Einflussgrößen betreffenbeispielsweise eine Gefügestruktureiner Piezokeramikschicht und/oder einer Elektrodenschicht.Attaching the "wire harp" to the actuator body is a relatively complicated process. Moreover, in the dynamic operation of the described piezoelectric actuator, a deflection of an existing polarity crack may occur. The Polungsriss grows uncontrolled. For example, the poling crack does not grow transversely to the stacking direction but parallel or approximately parallel to the stacking direction. Longitudinal cracks form in the actuator body. The uncontrolled growth of a poling crack may be due to unfavorable intrinsic and / or extrinsic factors. Intrinsic influencing variables relate for example to a microstructure of a piezoceramic layer and / or an electrode layer.
    [0009] DieGefügestrukturkann innerhalb der jeweiligen Schicht zu einem anisotropen Risswiderstand führen. DerRisswiderstand ist innerhalb der Schicht in unterschiedlichen Richtungenverschieden. Extrinsische Einflussgrößen basieren beispielsweiseauf einer elektrischen Anstiegsflanke im dynamischen Betrieb oderauf einer unzureichenden Klemmung des Aktorkörpers. Als Folge des unkontrollierten Wachstumseines Polungsrisses kann es zum Ausfall des piezoelektrischen Aktorskommen. Eine Zuverlässigkeitdes Aktors ist nicht gewährleistet.Themicrostructuremay result in anisotropic crack resistance within the respective layer. Of theCrack resistance is within the layer in different directionsdifferent. Extrinsic factors are based, for exampleon an electrical rising edge in dynamic operation oron insufficient clamping of the actuator body. As a result of uncontrolled growtha Polungsrisses it may cause the failure of the piezoelectric actuatorcome. A reliabilityof the actuator is not guaranteed.
    [0010] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es daher, ein piezoelektrisches Bauteilbereitzustellen, das im Vergleich zum bekannten Stand der Technik einfacherherzustellen ist und gleichzeitig eine höhere Zuverlässigkeit aufweist.taskIt is therefore a piezoelectric component of the present inventionto provide that compared to the prior art easieris to produce and at the same time has a higher reliability.
    [0011] ZurLösungder Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit einem monolithischen,stapelförmigenAktorkörperangegeben, bei dem in einer Stapelrichtung des Aktorkörpers Elektrodenschichten undPiezokeramikschichten abwechselnd übereinander angeordnet sindund die Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweilseinen seitlichen Oberflächenabschnittdes Aktorkörpersgeführt unddort mit einem elektrischen Anschlusselement kontaktiert sind. Daspiezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper mindestenseine Sollbruchstelle aufweist, die bei mechanischer Überlastungzur Bildung eines bestimmten Risses im Aktorkörper führt, und die Sollbruchstellederart ausgestaltet ist, dass durch den Riss der Aktorkörper inmindestens zwei Teilstapel unterteilt wird und die Elektrodenschichten,die an einen gemeinsamen seitlichen Oberflächenabschnitt des Teilstapelsdes Aktorkörpersgeführtsind, mit einem gemeinsamen Teil-Anschlusselement elektrisch kontaktiertbleiben.tosolutionThe object is a piezoelectric component with a monolithic,stackedactuator bodyspecified, in which in a stacking direction of the actuator body electrode layers andPiezoceramic layers are arranged alternately one above the otherand the electrode layers for making electrical contact with eacha lateral surface sectionof the actuator bodyled andcontacted there with an electrical connection element. ThePiezoelectric component is characterized in that the actuator body at leasthas a predetermined breaking point, the mechanical overloadleads to the formation of a specific crack in the actuator body, and the predetermined breaking pointis configured such that by the crack of the actuator body insubdividing at least two partial stacks and the electrode layers,to a common side surface portion of the sub-stackof the actuator bodyguidedare electrically contacted with a common part-connection elementstay.
    [0012] ZurLösungder Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischenBauteils mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstelleneines monolithischen, stapelförmigenAktorkörpersmit in einer Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd übereinanderangeordneten Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten, wobei dieElektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweils einenseitlichen Oberflächenabschnitt desAktorkörpersgeführtsind, und mit mindestens einer Sollbruchstelle, die bei mechanischer Überlastungzur Bildung eines Risses im Aktorkörper führt der den Aktorkörper inmindestens zwei Teilstapel unterteilt, und b) Anordnen eines gemeinsamenelektrischen Teil-Anschlusselements an einen gemeinsamen seitlichenOberflächenabschnittdes Teilstapels des Aktorkörperszur gemeinsamen elektrischen Kontaktierung von Elektrodenschichtendes Teilstapels.tosolutionThe object is also a method for producing the piezoelectricComponent specified with the following steps: a) Providea monolithic, stackedactuator bodywith one another in a stacking direction of the actuator body alternatelyarranged electrode layers and piezoceramic layers, wherein theElectrode layers for electrical contacting to one eachlateral surface portion of theactuator bodyguidedare, and with at least one predetermined breaking point, the case of mechanical overloadto form a crack in the actuator body leads the actuator body insubdivided at least two sub-stacks, and b) arranging a commonelectrical part-connection element to a common lateralsurface sectionof the sub-stack of the actuator bodyfor the common electrical contacting of electrode layersof the sub-stack.
    [0013] ZumBereitstellen des Aktorkörperswerden keramische Grünfolien,die eine Piezokeramik (z.B. Bleizirkonattitanat) aufweisen, miteiner Metallpaste (z.B. mit einer Silber-Palladium-Legierung) bedruckt, übereinandergestapelt und gemeinsam gesintert. Aus den Grünfolien bilden sich die Piezokeramikschichten.Eine Schichtdicke der gebildeten Piezokeramikschichten beträgt beispielsweiseetwa 80 μm. Ausder aufgedruckten Metallpaste bilden sich die Elektrodenschichten(Innenelektroden). Eine Schichtdicke der resultierenden Elektrodenschichten beträgt beispielsweise2 μm. Voroder nach dem Sintern werden an zwei seitliche Oberflächenabschnitte desAktorkörpersMetallisierungsbahnen angebracht.To theProviding the actuator bodybecome ceramic green sheets,having a piezoceramic (e.g., lead zirconate titanate) witha metal paste (e.g., with a silver-palladium alloy) printed on top of each otherstacked and sintered together. The green films form the piezoceramic layers.A layer thickness of the piezoceramic layers formed is, for exampleabout 80 μm. OutThe printed metal paste form the electrode layers(Internal electrodes). A layer thickness of the resulting electrode layers is, for example2 μm. In frontor after sintering are applied to two lateral surface portions ofactuator bodyMetallization tracks attached.
    [0014] DerAktorkörperist derart ausgestaltet, dass eine oder mehrere Sollbruchstellenvorhanden sind. Eine Sollbruchstelle ist ein Bestandteil des Aktorkörpers, derbei Überlastung,vergleichbar mit einer Sicherung, durch Bildung eines Risses bzw.durch Wachstum eines vorhandenen Risses zerstört wird. Dabei ist der Rissim Wesentlichen auf die Sollbruchstelle beschränkt. Es wird nur die Sollbruchstellezerstört,nicht aber der gesamte Aktorkörperoder andere Bereiche des Aktorkörpers.Der Riss ist lokal auf die Sollbruchstelle beschränkt undbreitet sich nicht in andere Bereiche des Aktorkörpers aus. Dadurch ist es möglich, dieBildung eines Risses bzw. das Wachstum eines Risses zu kontrollieren.Of theactuator bodyis designed such that one or more predetermined breaking pointsavailable. A breaking point is a part of the actuator body, thein case of overload,comparable to a fuse, by forming a crack oris destroyed by growth of an existing crack. This is the crackessentially limited to the predetermined breaking point. It will only the breaking pointdestroyed,but not the entire actuator bodyor other areas of the actuator body.The crack is limited locally to the predetermined breaking point anddoes not spread to other areas of the actuator body. This makes it possible for theFormation of a crack or to control the growth of a crack.
    [0015] DerRiss führtzu einem Bruch des monolithischen Aktorkörpers an der Sollbruchstelle.Der Bruch ist ein Vorgang, der einer mechanisch induzierten Verformungeines Werkstoffes ein Ende setzt. Der Bruch ist insbesondere einSprödbruch.Der Sprödbruchkann durch Kriechen (Kriechbruch) und insbesondere durch Ermüdung (Ermüdungsbruch)verursacht werden. Unter Ermüdungwird ein Versagen von Werkstoffen durch fortschreitendes Risswachstumverstanden, das durch wiederholte (mechanische) Spannungszyklenverursacht wird.Of theCrack leadsto a fracture of the monolithic actuator body at the predetermined breaking point.The breakage is a process of mechanically induced deformationof a material puts an end to it. The break is in particular oneBrittle fracture.The brittle fracturecan be caused by creep (creep breakage) and especially by fatigue (fatigue fracture)caused. Under fatiguewill be a failure of materials due to progressive crack growthunderstood by repeated (mechanical) voltage cyclesis caused.
    [0016] Mitdem Riss kommt es zu einer Unterteilung des Aktorkörpers inmindestens zwei Teilstapel. Innerhalb jedes Teilstapels sind dieElektrodenschichten an seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. DieTeil-Anschlusselementesind derart ausgestaltet, dass trotz Bildung eines Risses die Elektrodenschichtender Teilstapel des Aktorkörpers elektrischkontaktiert bleiben. Das Teil-Anschlusselementbzw. die Teil-Anschlusselemente sind mit Hilfe eines elektrischleitfähigenVerbindungsmittels an die seitlichen Oberflächenabschnitte elektrisch undmechanisch kontaktiert. Das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel istbeispielsweise ein Leitklebstoff oder ein Lot. Das Teil-Anschlusselementbzw. die Teil-Anschlusselemente sind an die Oberflächenabschnitte geklebtoder gelötet.With the crack, there is a subdivision of the actuator body in at least two partial stacks. Within each sub-stack, the electrode layers are guided on lateral surface sections of the actuator body. The partial connection elements are designed such that, despite the formation of a crack, the electrode layers of the partial stacks of the actuator body remain electrically contacted. The partial connection element or the partial connection elements are connected by means of an electrically conductive connection means to the side surface portions electrically and mechanically contacted. The electrically conductive connection means is for example a conductive adhesive or a solder. The partial connection element or the partial connection elements are glued or soldered to the surface sections.
    [0017] Einelektrisches Teil-Anschlusselement ist vorzugsweise ein flexibleselektrisches Teil-Anschlusselement. Das elektrische Teil-Anschlusselementsorgt fürdie bleibende elektrische Kontaktierung von Elektrodenschichtendes Teilstapels. Dadurch, dass trotz auftretenden Risses die Elektrodenschichtendes Teilstapels elektrisch ansteuerbar bleiben, findet nach wievor eine Auslenkung des Teilstapels statt. Das flexible Teil-Anschlusselementkann dabei der Expansion und der Kontraktion des Teilstapels desAktorkörpersfolgen.Oneelectrical part connection element is preferably a flexibleelectrical part connection element. The electrical part connection elementtakes care ofthe permanent electrical contacting of electrode layersof the sub-stack. Due to the fact that, despite the crack occurring, the electrode layersof the sub-stack remain electrically controllable, finds howbefore a deflection of the sub-stack instead. The flexible part connection elementcan be the expansion and contraction of the sub - stack ofactuator bodyconsequences.
    [0018] Ineiner besonderen Ausgestaltung weist das elektrische Teil-Anschlusselementeinen elektrisch leitfähigenDraht auf. Denkbar ist auch eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Drähten. DasTeil-Anschlusselement ist beispielsweise ein Drahtgeflecht odereine "Drahtharfe".Ina special embodiment, the electrical part-connection elementan electrically conductiveWire on. Also conceivable is a multiplicity of electrically conductive wires. ThePart connection element is for example a wire mesh ora "wire harp".
    [0019] DasTeil-Anschlusselement bzw. die Teil-Anschlusselemente eines jedenTeilstapels sind derart ausgelegt, dass eine für die elektrische Ansteuerung derElektrodenschichten des Teilstapels notwendige Stromstragfähigkeitgewährleistetist. Darüberhinaus ist das Teil-Anschlusselement derart ausgestaltet, dass dieAuslenkung des jeweiligen Teilstapels berücksichtigt wird. Beispielsweisekann es Teilstapel des Aktorkörpersgeben, die sich durch eine geringe Auslenkung auszeichnen. Ein Teilstapelmit einer geringen Auslenkung befindet sich beispielsweise in derNähe einerfesten Bodenplatte. Ein fürdie Kontaktierung der Elektrodenschichten eines solchen Teilstapelsausgelegtes Teil-Anschlusselement benötigt eine relativ geringe Flexibilität. So genügt es beispielsweise,Elektrodenschichten (gleicher Polarität) eines Teilstapels mit einergeringen Auslenkung nur mit einem einzigen, relativ dicken Drahtzu kontaktieren. Dagegen kann es vorteilhaft sein, Elektrodenschichteneines Teilstapels, der sich durch eine starke Auslenkung auszeichnet,mit mehreren, dafür aberdünnerenund flexibleren Drähtenelektrisch zu kontaktieren. Aber auch hier ist ein einziger elektrisch leitfähiger Drahtals Teil-Anschlusselement zu bevorzugen. Denn ein einzelner Drahtals Teilanschlusselement führtzu einem im Vergleich zum Stand der Technik vereinfachten Designund zu einem vereinfachten Kontaktierungsverfahren.ThePart connection element or the partial connection elements of eachPartial stacks are designed such that one for the electrical control of theElectrode layers of the sub-stack necessary Stromstragfähigkeitguaranteedis. About thatIn addition, the sub-connection element is designed such that theDeflection of the respective sub-stack is taken into account. For exampleit can be partial stack of the actuator bodygive, which are characterized by a small deflection. A partial stackwith a small deflection is located for example in theNear onesolid floor plate. One forthe contacting of the electrode layers of such a sub-stackdesigned partial connection element requires a relatively low flexibility. So it is enough, for exampleElectrode layers (same polarity) of a sub-stack with alow deflection only with a single, relatively thick wireto contact. In contrast, it may be advantageous to electrode layersa sub-pile characterized by a strong deflection,with several, but for thatthinnerand more flexible wiresto contact electrically. But here is a single electrically conductive wireas a partial connection element to prefer. Because a single wireas a partial connection element leadsto a simplified design compared to the prior artand to a simplified contacting method.
    [0020] Ineiner weiteren Ausgestaltung weist das Teil-Anschlusselement eine strukturierte,elektrisch leitfähigeFolie auf. Diese Folie ist beispielsweise eine Metallfolie. Denkbarist auch eine Kunststofffolie, auf der elektrisch leitendes Materialstrukturiert aufgebracht ist. Die strukturierte, elektrisch leitfähige Folie übernimmtdie gleiche Funktion wie die oben beschriebenen Drähte. DieFolie kann durch unterschiedlich ausgestaltete Stege und Ausnehmungen unterschiedlicheStromtragfähigkeitenund unterschiedliche Auslenkungsmöglichkeiten gewährleisten.InIn a further embodiment, the partial connection element has a structured,electrically conductiveSlide on. This film is for example a metal foil. Conceivableis also a plastic film, on the electrically conductive materialstructured is applied. The structured, electrically conductive foil takes overthe same function as the wires described above. TheFoil can vary due to differently designed webs and recessescurrent capabilitiesand ensure different deflection options.
    [0021] Ineiner besonderen Ausgestaltung ist die Sollbruchstelle von zumindesteiner aus der Gruppe Piezokeramikschicht und/oder Elektrodenschicht und/oderpiezoelektrisch inaktiven Keramikschicht ausgewählten Teilschicht des Aktorkörpers gebildet. Diepiezoelektrisch inaktive Keramikschicht trägt nicht bzw. nahezu nichtzur Auslenkung des Aktorkörpersbei. Sie fungiert lediglich als Sicherheitsschicht. Die piezoelektrischinaktive Schicht ist relativ dünn. EineSchichtdicke der piezoelektrisch inaktiven Schicht beträgt beispielsweise20 μm. Dieinaktive Keramikschicht ist beispielsweise eine Schicht aus Zirkoniumoxid(ZrO2). Denkbar sind auch andere keramischeWerkstoffe. Die Auswahl der keramischen Werkstoffe der piezoelektrischinaktiven Keramikschicht basiert u.a. auf der chemischen Reaktivität gegenüber derPiezokeramik und/oder gegenüber demElektrodenmaterial. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ebenfallszu berücksichtigen. ZumBereitstellen des Aktorkörperswerden keramische Grünfolienmit der piezoelektrisch inaktiven Keramik und keramische Grünfolienmit der Piezokeramik übereinandergestapelt und gemeinsam gesintert. Es resultiert ein monolithischerAktorkörpermit Sollbruchstellen, die entlang der Stapelrichtung des Aktorkörpers verteiltsind.In a particular embodiment, the predetermined breaking point is formed by at least one partial layer of the actuator body selected from the group of piezoceramic layer and / or electrode layer and / or piezoelectrically inactive ceramic layer. The piezoelectrically inactive ceramic layer does not or almost not contribute to the deflection of the actuator body. It only acts as a security layer. The piezoelectrically inactive layer is relatively thin. A layer thickness of the piezoelectrically inactive layer is, for example, 20 μm. The inactive ceramic layer is, for example, a layer of zirconium oxide (ZrO 2 ). Also conceivable are other ceramic materials. The selection of the ceramic materials of the piezoelectrically inactive ceramic layer is based inter alia on the chemical reactivity with respect to the piezoceramic and / or with respect to the electrode material. The thermal expansion coefficient must also be taken into account. To provide the actuator body, ceramic green sheets with the piezoelectrically inactive ceramic and ceramic green sheets with the piezoceramic are stacked on top of one another and sintered together. The result is a monolithic actuator body with predetermined breaking points, which are distributed along the stacking direction of the actuator body.
    [0022] Ineiner besonderen Ausgestaltung ist die Sollbruchstelle von einerder Teilschichten des Aktorkörpersgebildet, wobei ein Risswiderstand der Teilschicht kleiner ist alsder Risswiderstand weiterer Teilschichten des Aktorkörpers. Diesbedeutet, dass eine Bruchfestigkeit eines Materials der Teilschicht desAktorkörpersmit der Sollbruchstelle kleiner ist als eine Bruchfestigkeit derMaterialien der weiteren Teilschichten des Aktorkörpers. DieTeilschicht mit der Sollbruchstelle ist das schwächste Glied innerhalb des Aktorkörpers. Beimechanischer Überlastung desAktorkörpersentsteht ein Riss in dieser Teilschicht.Ina particular embodiment, the predetermined breaking point of athe partial layers of the actuator bodyformed, wherein a crack resistance of the sub-layer is smaller thanthe crack resistance of further partial layers of the actuator body. Thismeans that a breaking strength of a material of the sublayer of theactuator bodywith the predetermined breaking point is less than a breaking strength ofMaterials of the other sub-layers of the actuator body. ThePartial layer with the predetermined breaking point is the weakest link within the actuator body. atmechanical overload of theactuator bodya crack develops in this sub-layer.
    [0023] Ineiner weiteren Ausgestaltung ist die Sollbruchstelle von einer Grenzfläche zwischenmindestens zwei der Teilschichten des Aktorkörpers gebildet, wobei eineHaftfestigkeit dieser Teilschichten aneinander im Vergleich zurHaftfestigkeit weiterer Teilschichten des Aktorkörpers aneinander kleiner ist. DieGrenzflächezwischen zwei Teilschichten, beispielsweise die Grenzfläche zwischeneiner Elektrodenschicht und einer benachbarten Piezokeramikschicht,ist das schwächsteGlied. Bei mechanischer Überlastungentsteht ein Riss an der Grenzfläche zwischender Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht.In a further embodiment, the predetermined breaking point is formed by an interface between at least two of the sub-layers of the actuator body, wherein an adhesion strength of these sub-layers to each other is smaller compared to the adhesion of further sub-layers of the actuator body. The interface between two sub-layers, for example the interface between an electrode layer and an adjacent piezoceramic layer, is the weakest link. Mechanical overload creates a crack at the interface between the electrode layer and the piezoceramic layer.
    [0024] Umunterschiedliche Risswiderständebzw. Haftfestigkeiten der Teilschichten des Aktorkörpers zuerzielen, unterscheiden sich beispielsweise die verwendeten Elektrodenwerkstoffeder Elektrodenschichten voneinander. Dies betrifft beispielsweise ihrechemische Zusammensetzung und/oder ihre Materialstruktur. Die Materialstrukturbetrifft beispielsweise einen Aufbau (z.B. Core-Shell-Struktur) undeine Größe bzw.eine Größenverteilungvon Körnernder Elektrodenwerkstoffe sowie ein Gefüge der Elektrodenwerkstoffe.Das Gefügebetrifft beispielsweise eine Porosität eines Elektrodenwerkstoffs. Eineunterschiedliche Porositätdes Elektrodenwerkstoffs lässtsich beispielsweise durch Verwendung unterschiedlicher Metallpastenbei der Herstellung des Piezoelements realisieren. Die Metallpastenwerden zur Bildung der Elektrodenschichten auf eine oder mehrereElektrodenschichten gedruckt. Die unterschiedlichen Metallpastenzeichnen sich beispielsweise durch unterschiedliche Binder- und/oderFeststoffgehalte aus. Als Binder und/oder Feststoffe werden beispielsweiseStoffe eingesetzt, die sich beim Sintern zersetzen. Derartige Stoffebestehen beispielsweise aus Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoffen.Beispielsweise beinhalten die Metallpasten Kunststoffkügelchen.Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser beträgt 0,1 μm bis 2,0 μm. Beim Entbindern bzw. beimSintern brennen die Kunststoffkügelchenaus. Es verbleiben in den beim Sintern entstehenden ElektrodenschichtenPoren. Unterschiedliche Porenanteile und/oder Porengrößen führen zu unterschiedlichenRisswiderständenund Haftfestigkeiten.Arounddifferent crack resistancesor adhesive strengths of the sub-layers of the actuator bodyachieve, for example, the electrode materials used differthe electrode layers from each other. This applies, for example, to herchemical composition and / or its material structure. The material structurefor example, relates to a structure (e.g., core-shell structure) anda size ora size distributionof grainsthe electrode materials and a microstructure of the electrode materials.The structurefor example, concerns a porosity of an electrode material. Adifferent porosityof the electrode materialFor example, by using different metal pastesrealize in the production of the piezoelectric element. The metal pastesare used to form the electrode layers on one or morePrinted electrode layers. The different metal pastesare characterized for example by different binder and / orSolids content. As binders and / or solids, for exampleSubstances used, which decompose during sintering. Such substancesconsist for example of carbon or hydrocarbons.For example, the metal pastes contain plastic beads.An average particle diameter is 0.1 μm to 2.0 μm. When debindering or whenSintering burn the plastic beadsout. They remain in the electrode layers formed during sinteringPores. Different pore portions and / or pore sizes lead to differentcrack resistanceand adhesion.
    [0025] Einegleiche Vorgehensweise ist bei den Piezokeramikschichten möglich. Esmuss zur Ausbildung einer Sollbruchstelle keine piezoelektrischinaktive Keramikschicht im Aktorkörper integriert sein. Als Sollbruchstelleist eine Piezokeramikschicht denkbar, die sich in ihrer Zusammensetzungund/oder ihrer Gefügestrukturvon den anderen Piezokeramikschichten unterscheidet. Die Zusammensetzung bzw.die Gefügestruktursind derart ausgestaltet, dass ein Risswiderstand der Piezokeramikschichtmit der Sollbruchstelle kleiner ist als der Risswiderstand der anderenPiezokeramikschichten.AThe same procedure is possible with the piezoceramic layers. Itneed to form a predetermined breaking point no piezoelectricbe inactive ceramic layer integrated in the actuator body. As a breaking pointis a piezoceramic layer conceivable, which is in their compositionand / or their microstructuredifferent from the other piezoceramic layers. The composition orthe microstructureare designed such that a crack resistance of the piezoceramic layerwith the predetermined breaking point is smaller than the crack resistance of the otherPiezoceramic layers.
    [0026] Innerhalbdes Aktorkörperskann eine einzige Sollbruchstelle vorgesehen sein. Der Aktorkörper wirddurch die Bildung eines Risses in zwei Teilstapel unterteilt. Vorzugsweisesind aber mehrere Sollbruchstellen entlang der Stapelrichtung desAktorkörpersverteilt. Der Aktorkörperist in mehrere Teilstapel unterteilt. Dabei können einzelne Teilstapel imWesentlichen gleich hoch sein. Dies bedeutet, dass die Sollbruchstellenin regelmäßigen Abständen voneinanderinnerhalb des Aktorkörpersangeordnet sind. Denkbar ist darüberhinaus, dass die Sollbruchstellen in unregelmäßigen Abständen voneinander angeordnetsind. Denkbar ist beispielsweise, dass die Abstände der Sollbruchstellen inBereichen des Aktorkörpersgrößer sind,in denen eine relativ schwache Auslenkung stattfindet. Dagegen können dieAbständezwischen den Sollbruchstellen in Bereichen des Aktorkörpers kleinersein, in denen stärkereAuslenkungen auftreten. Es resultieren unterschiedlich hohe Teilstapel.Pro Teilstapel kann wiederum füran einen gemeinsamen Oberflächenabschnittgeführte Elektrodenschichtenein einziger Draht als Teil-Anschlusselementvorgesehen sein. Auch hier kann der Draht entsprechend den Anforderungendes jeweiligen Teilstapels ausgestaltet sein. Dies betrifft eine Stromtragfähigkeitdes Drahts und eine Flexibilität desDrahts.Withinof the actuator bodya single predetermined breaking point can be provided. The actuator body isdivided into two sub-stacks by the formation of a crack. Preferablybut are several predetermined breaking points along the stacking direction ofactuator bodydistributed. The actuator bodyis divided into several sub-stacks. Here, individual partial stacks inBe substantially the same. This means that the predetermined breaking pointsat regular intervals from each otherwithin the actuator bodyare arranged. It is conceivablein addition, the break points are arranged at irregular intervals from each otherare. It is conceivable, for example, that the distances between the predetermined breaking points inAreas of the actuator bodyare bigger,in which a relatively weak deflection takes place. In contrast, thedistancessmaller between the predetermined breaking points in areas of the actuator bodybe stronger in thoseDeflections occur. This results in different levels of partial stacks.Each partial stack can turn forto a common surface sectionguided electrode layersa single wire as a partial connection elementbe provided. Again, the wire can meet the requirementsbe configured of the respective sub-stack. This concerns a current carrying capacityof the wire and a flexibility of theWire.
    [0027] Zusammenfassendergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile: – MitHilfe 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 zuverlässigeresBauteil. – Durchdie Kontrolle der Risse vereinfacht sich die elektrische Kontaktierungder Elektrodenschichten des Bauteils. – DasVerfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils bzw. zumelektrischen Kontaktieren von Teilstapeln des piezoelektrischenAktorkörpersdes Bauteils kann in bestehende Herstellverfahren für Piezoaktorenintegriert werden. In summary, the invention provides the following essential advantages: - With the help of predetermined breaking points, it is possible to control cracking and crack growth (especially of longitudinal cracks) in a piezoelectric component and limit. This results in a more reliable compared to the prior art component. - The control of the cracks simplifies the electrical contacting of the electrode layers of the component. The method for producing the piezoelectric component or for electrically contacting partial stacks of the piezoelectric actuator body of the component can be integrated into existing manufacturing processes for piezo actuators.
    [0028] Anhandmehrerer Ausführungsbeispieleund der dazugehörigenFiguren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematischund stellen keine maßstabsgetreuenAbbildungen dar.Basedseveral embodimentsand the associatedFigures, the invention is explained in more detail below. The figures are schematicand do not represent to scaleIllustrations
    [0029] 1 zeigtein Piezoelement im seitlichen Querschnitt. 1 shows a piezoelectric element in the lateral cross-section.
    [0030] 2A bis 2C zeigeneinen Ausschnitt eines monolithischen Aktorkörpers mit einem an einer Sollbruchstelleentstandenen Riss. 2A to 2C show a section of a monolithic actuator body with a crack formed at a predetermined breaking point.
    [0031] 3 zeigteinen Ausschnitt eines piezoelektrischen Bauteils in Form einesPiezoaktors mit einem Aktorkörperin monolithischer Vielschichtbauweise von der Seite. 3 shows a section of a piezoelectric component in the form of a piezoelectric actuator with an actuator body in monolithic multilayer construction of the side.
    [0032] 4A und 4B zeigeneinen Aktorkörperin monolithischer Vielschichtbauweise mit mehreren Sollbruchstellenvon der Seite. 4A and 4B show an actuator body in monolithic multilayer construction with multiple predetermined breaking points from the side.
    [0033] Daspiezoelektrische Bauteil 1 ist ein piezoelektrischer Aktormit einem Aktorkörper 20 inmonolithischer Vielschichtbauweise (3). EineGrundflächedes Aktorkörpers 20 istquadratisch.The piezoelectric component 1 is a piezoelectric actuator with an actuator body 20 in monolithic multilayer construction ( 3 ). A Grundfl surface of the actuator body 20 is square.
    [0034] DerAktorkörper 20 bestehtaus übereinandergestapelten Piezoelementen 10 (1). EinPiezoelement 10 besteht dabei aus einer Elektrodenschicht 101,mindestens einer weiteren Elektrodenschicht 102 und mindestenseiner zwischen den Elektrodenschichten 101 und 102 angeordnetenPiezokeramikschicht 103. Die Piezokeramikschicht 103 istaus einem Bleizirkonattitanat und weist eine Schichtdicke von etwa80 μm auf.Die Elektrodenschichten 101 und 102 sind aus einerSilber-Palladium-Legierung und verfügen über eine Schichtdicke von etwa2 μm.The actuator body 20 consists of stacked piezo elements 10 ( 1 ). A piezo element 10 consists of an electrode layer 101 , at least one further electrode layer 102 and at least one between the electrode layers 101 and 102 arranged piezoceramic layer 103 , The piezoceramic layer 103 is from a lead zirconate titanate and has a layer thickness of about 80 microns. The electrode layers 101 and 102 are made of a silver-palladium alloy and have a layer thickness of about 2 microns.
    [0035] DieElektrodenschichten 101 und 102 sind derart anden Hauptflächender Piezokeramikschicht 103 angeordnet, dass durch dieelektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 101 und 102 einelektrisches Feld in die Piezokeramikschicht 103 eingekoppeltwird, so dass es zur Auslenkung der Piezokeramikschicht 103 unddamit zur Auslenkung des Piezoelements 10 kommt.The electrode layers 101 and 102 are so on the major surfaces of the piezoceramic layer 103 arranged that by the electrical control of the electrode layers 101 and 102 an electric field in the piezoceramic layer 103 is coupled, so that it is for the deflection of the piezoceramic layer 103 and thus for the deflection of the piezoelectric element 10 comes.
    [0036] Zurelektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten 101 und 102 anzwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 104 und 105 desPiezoelements 10 geführt.An diesen Oberflächenabschnitten 104 und 105 sinddie beiden Elektrodenschichten 101 und 102 jeweilsmit einem (in 1 nicht dargestellten) elektrischenAnschlusselement elektrisch kontaktiert. Durch die Führung derElektrodenschichten 101 und 102 an die voneinandergetrennten Oberflächenabschnitte 104 und 105 verfügt das Piezoelement 10 über einenpiezoelektrisch aktiven Bereich 106 und mindestens über zweipiezoelektrisch inaktive Bereiche 107.For electrical contacting are the electrode layers 101 and 102 to two electrically isolated from each other, lateral surface sections 104 and 105 of the piezoelectric element 10 guided. At these surface sections 104 and 105 are the two electrode layers 101 and 102 each with a (in 1 not shown) electrical contact element electrically contacted. By guiding the electrode layers 101 and 102 to the separate surface sections 104 and 105 has the piezo element 10 over a piezoelectrically active area 106 and at least two piezoelectrically inactive regions 107 ,
    [0037] EineVielzahl von Piezoelementen 10 ist derart zu dem monolithischen,stapelförmigenAktorkörper 20 angeordnet,dass benachbarte Piezoelemente 200 und 201 gemeinsameElektrodenschicht 202 und 203 aufweisen, die inStapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 abwechselndan zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 204 und 205 desAktorkörpers 20 geführt sind.Der Aktorkörper 20 bestehtalso aus einer Vielzahl von abwechselnd übereinander gestapelten Piezokeramikschichtenund Elektrodenschichten.A variety of piezo elements 10 is so to the monolithic, stack-shaped actuator body 20 arranged that adjacent piezo elements 200 and 201 common electrode layer 202 and 203 have, in the stacking direction 21 of the actuator body 20 alternately on two electrically isolated, lateral surface sections 204 and 205 of the actuator body 20 are guided. The actuator body 20 Thus, it consists of a multiplicity of piezoceramic layers and electrode layers stacked alternately one above the other.
    [0038] Derseitliche Oberflächenabschnitt 204 des Aktorkörpers 20 wirdvon den seitlichen Oberflächenabschnitten 104 derPiezoelemente 10 gebildet. Der weitere seitliche Oberflächenabschnitt 205 desAktorkörpers 20 wirdvon den weiteren seitlichen Oberflächenabschnitten 105 derPiezoelemente 10 gebildet. Zur elektrischen Kontaktierungder Elektrodenschichten 101 und der weiteren Elektrodenschichten 102 sindan den seitlichen Oberflächenabschnitte 204 und 205 desAktorkörpers 20 Metallisierungsbahnen 206 angebracht,an die überLotbahnen 207 elektrische Anschlusselemente 24 angelötet sind.Jedes der elektrischen Anschlusselemente 24 besteht auselektrisch leitfähigenDrähten 241,wobei die Drähte 241 zumBeaufschlagen der Elektrodenschichten mit dem gleichen elektrischenPotential an einen gemeinsamen, starren elektrischen Anschlussstift 242 (über dieLotbahnen 243) gelötetsind. Alternativ dazu besteht jedes der Anschlusselemente 24 auseiner strukturierten, elektrisch leitfähigen Metallfolie.The lateral surface section 204 of the actuator body 20 gets from the side surface sections 104 the piezo elements 10 educated. The further lateral surface section 205 of the actuator body 20 becomes of the further side surface sections 105 the piezo elements 10 educated. For electrical contacting of the electrode layers 101 and the further electrode layers 102 are at the lateral surface sections 204 and 205 of the actuator body 20 metallization 206 attached to the over Lotbahnen 207 electrical connection elements 24 are soldered. Each of the electrical connection elements 24 consists of electrically conductive wires 241 , where the wires 241 for applying the electrode layers with the same electrical potential to a common, rigid electrical connection pin 242 (over the Lotbahnen 243 ) are soldered. Alternatively, there is each of the connection elements 24 from a structured, electrically conductive metal foil.
    [0039] DerAktorkörper 20 weistmindestens eine Sollbruchstelle 100 auf. Dabei kann dieSollbruchstelle 100 direkt von einer Elektrodenschicht 101 gebildetsein (2A). Die Elektrodenschicht 101 zeichnetsich durch einen relativ geringen Risswiderstand aus. Bei der mechanischen Überlastungdes Aktorkörpers 20 bildetsich in der Elektrodenschicht 100 ein Riss 110.The actuator body 20 has at least one predetermined breaking point 100 on. In this case, the predetermined breaking point 100 directly from an electrode layer 101 be formed ( 2A ). The electrode layer 101 is characterized by a relatively low crack resistance. In the case of mechanical overloading of the actuator body 20 forms in the electrode layer 100 a crack 110 ,
    [0040] DieSollbruchstelle 100 des Aktorkörpers 20 wird in einerzweiten Ausführungsformvon der Grenzflächezwischen der Elektrodenschicht 101 und der Piezokeramikschicht 103 gebildet(2B). Die Haftfestigkeit dieser Schichten an derGrenzflächeist relativ gering, so dass bei einer mechanischen Überlastungdes Aktorkörpers 20 ander Grenzfläche 108 einRiss 110 entsteht.The breaking point 100 of the actuator body 20 in a second embodiment of the interface between the electrode layer 101 and the piezoceramic layer 103 educated ( 2 B ). The adhesive strength of these layers at the interface is relatively low, so that with a mechanical overload of the actuator body 20 at the interface 108 a crack 110 arises.
    [0041] Ineiner weiteren Ausführungsformwird 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 geringerals der Risswiderstand der Piezokeramikschichten 103 oderder Elektrodenschichten 101. Ebenso sind die Haftfestigkeitenzwischen den Schichten höherals der Risswiderstand der Keramikschicht 109. Dadurchist die Wahrscheinlichkeit fürdas Auftreten eines Risses 110 in der Keramikschicht 109 deutlichhöher alsdie Wahrscheinlichkeit fürdas Auftreten eines Risses in anderen Schichten oder an Grenzflächen zwischenSchichten des Aktorkörpers 20.In a further embodiment, the predetermined breaking point 100 from a ceramic layer 109 formed of a piezoelectrically inactive ceramic ( 2C ). This ceramic layer 109 acts as a security layer. The crack resistance of the ceramic layer 109 is less than the crack resistance of the piezoceramic layers 103 or the electrode layers 101 , Likewise, the bond strengths between the layers are higher than the crack resistance of the ceramic layer 109 , This is the probability of the occurrence of a crack 110 in the ceramic layer 109 significantly higher than the probability of the occurrence of a crack in other layers or at interfaces between layers of the actuator body 20 ,
    [0042] Gemäß einemersten Ausführungsbeispiel isteine der Elektrodenschichten als Sollbruchstelle 100 ausgestaltet(3). Der Aktorkörper 20 besteht auszwei benachbarten Piezoelementen 10 mit der Sollbruchstelle 100 undeiner Vielzahl von weiteren Piezoelementen 10, die über keineSollbruchstelle 100 verfügen. Bei mechanischer Überlastungdes Aktorkörpers 20 kommtes zu einer Rissbildung an der Sollbruchstelle 100. Dadurchwird der Aktorkörper 20 inzwei Teilstapel 22 und 23 unterteilt. Die Elektrodenschichten 221 einesTeilstapel 22, die an jeweils einem gemeinsamen Oberflächenabschnitt 204 desAktorkörpers 20 geführt sind,bleiben bei Auftreten des Risses 110, der sich in die Metallisierungsbahn 206 unddie Lotbahn 207 erstreckt, mit den elektrisch leitfähigen Drähten 223 eineselektrischen Teil-Anschlusselements 222 elektrisch kontaktiert.According to a first embodiment, one of the electrode layers is a predetermined breaking point 100 designed ( 3 ). The actuator body 20 consists of two adjacent piezo elements 10 with the predetermined breaking point 100 and a variety of other piezo elements 10 that have no breaking point 100 feature. With mechanical overload of the actuator body 20 it comes to a cracking at the predetermined breaking point 100 , As a result, the actuator body 20 in two part stacks 22 and 23 divided. The electrode layers 221 a partial stack 22 , each with a common surface section 204 of the actuator body 20 are guided, remain when the crack occurs 110 who is in the metallization approximately ground 206 and the Lotbahn 207 extends, with the electrically conductive wires 223 a partial electrical connection element 222 electrically contacted.
    [0043] Gemäß einemzweiten Ausführungsbeispiel sindmehrere Sollbruchstellen 100 vorhanden. Die Sollbruchstellen 100 sindvon Sicherheitsschichten aus einer piezoelektrisch inaktiven Keramikgebildet. Die Sicherheitsschichten sind etwa 20 μm dick und erstrecken sich entlangder gesamten quadratischen Grundfläche des Aktorkörpers. Entlangder Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 ändert sichder Abstand zwischen den Sicherheitsschichten (4A). Dadurchwird der Aktorkörper 20 inmehrere, unterschiedlich hohe Teilstapel 22 unterteilt.In einem Bereich relativ schwacher Auslenkung 25 sind dieTeilstapel 22 relativ hoch. In Richtung des Bereichs 26 relativstarker Auslenkung des Aktorkörpersnimmt die Höheder Teilstapel ab. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichtender Teilstapel 22, die mit dem gleichen elektrischen Potentialangesteuert werden sollen, ist jeweils ein einziges Teil-Anschlusselementin Form eines Drahtes 223 an den jeweiligen Oberflächenabschnitt 204 bzw. 205 gelötet.According to a second embodiment, a plurality of predetermined breaking points 100 available. The predetermined breaking points 100 are formed by safety layers of a piezoelectrically inactive ceramic. The security layers are about 20 microns thick and extend along the entire square base of the actuator body. Along the stacking direction 21 of the actuator body 20 the distance between the security layers changes ( 4A ). As a result, the actuator body 20 into several, differently high partial stacks 22 divided. In a range of relatively weak deflection 25 are the part stacks 22 quite high. Towards the area 26 relatively strong deflection of the actuator body decreases the height of the partial stack. For electrical contacting of the electrode layers of the partial stack 22 , which are to be driven with the same electrical potential, is in each case a single part-connection element in the form of a wire 223 to the respective surface section 204 respectively. 205 soldered.
    [0044] Alternativdazu sind pro Teilstapel 22 und pro seitlichem Oberflächenabschnitt 204 oder 205 des Teilstapelsmehrere Drähtevorhanden. Die Elektrodenschichten der Teilstapel werden jeweils über "Drahtharfen" elektrisch kontaktiert.In einer Weiterbildung sind die Elektrodenschichten der Teilstapel 22 imBereich schwacher Auslenkung 25 mit einem relativ dickenDraht und die Elektrodenschichten der Teilstapel im Bereich starkerAuslenkung mit "Drahtharfen" kontaktiert.Alternatively, per part stacks 22 and per side surface section 204 or 205 of the sub-stack contains several wires. The electrode layers of the partial stacks are each electrically contacted via "wire harts". In a development, the electrode layers of the partial stack 22 in the range of weak deflection 25 contacted with a relatively thick wire and the electrode layers of the sub-stack in the range of strong deflection with "wire harp".
    [0045] ZumHerstellen des piezoelektrischen Bauteils 1 wird zunächst einmonolithischer Aktorkörper miteiner Vielzahl von abwechselnd übereinanderangeordneten Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten bereitgestellt.An bestimmten Stellen des Aktorkörperssind Sollbruchstellen 100 integriert. An den seitlichenOberflächenabschnitten 204 und 205 istjeweils eine Metallisierungsbahn 206 angebracht. An dieseMetallisierungsbahnen werden elektrische Teil-Anschlusselemente derart angelötet, dasspro Teilstapel die Elektrodenschichten, die gemeinsam kontaktiertwerden sollen, überein gemeinsames Teil-Anschlusselement elektrisch (und mechanisch) kontaktiertsind.For producing the piezoelectric component 1 First, a monolithic actuator body with a plurality of alternately stacked electrode layers and piezoceramic layers is provided. At certain points of the actuator body are predetermined breaking points 100 integrated. At the lateral surface sections 204 and 205 each is a metallization path 206 appropriate. Electrical partial connection elements are soldered to these metallization paths in such a way that, for each partial stack, the electrode layers which are to be contacted together are electrically (and mechanically) contacted via a common part connection element.
    权利要求:
    Claims (8)
    [1]
    Piezoelektrisches Bauteil (1) mit einemmonolithischen, stapelförmigenAktorkörper(20), bei dem – ineiner Stapelrichtung(21) des Aktorkörpers (20) Elektrodenschichten(101, 202, 203) und Piezokeramikschichten(103) abwechselnd übereinanderangeordnet sind und – dieElektrodenschichten (101, 202, 103) zurelektrischen Kontaktierung an jeweils einen seitlichen Oberflächenabschnitt(204, 205) des Aktorkörpers (20) geführt unddort mit einem elektrischen Anschlusselement (24) kontaktiertsind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktorkörper (20)mindestens eine Sollbruchstelle (100) aufweist, die beimechanischer Überlastung zurBildung eines bestimmten Risses (110) im Aktorkörper ( 2 0)führt ,und – dieSollbruchstelle (100) derart ausgestaltet ist, dass durchden Riss (110) der Aktorkörper (20) in mindestenszwei Teilstapel (22, 23) unterteilt wird und dieElektrodenschichten (221), die an einen gemeinsamen seitlichenOberflächenabschnitt(204)des Teilstapels (22) des Aktorkörpers (20) geführt sind,mit einem gemeinsamen Teil-Anschlusselement (222) elektrischkontaktiert bleiben.Piezoelectric component ( 1 ) with a monolithic, stack-shaped actuator body ( 20 ), in which - in a stacking direction ( 21 ) of the actuator body ( 20 ) Electrode layers ( 101 . 202 . 203 ) and piezoceramic layers ( 103 ) are arranged one above another alternately and - the electrode layers ( 101 . 202 . 103 ) for electrical contacting to a respective lateral surface section ( 204 . 205 ) of the actuator body ( 20 ) and there with an electrical connection element ( 24 ) are contacted, characterized in that - the actuator body ( 20 ) at least one predetermined breaking point ( 100 ), which under mechanical overload to form a particular crack ( 110 ) in the actuator body ( 2 0) leads, and - the predetermined breaking point ( 100 ) is configured such that through the crack ( 110 ) the actuator body ( 20 ) in at least two partial stacks ( 22 . 23 ) and the electrode layers ( 221 ), which are connected to a common lateral surface section ( 204 ) of the sub-stack ( 22 ) of the actuator body ( 20 ) are guided, with a common part-connection element ( 222 ) remain electrically contacted.
    [2]
    Bauteil nach Anspruch 1, wobei das elektrische Teil-Anschlusselement(222) einen elektrisch leitfähigen Draht (223)aufweist.Component according to claim 1, wherein the electrical part connection element ( 222 ) an electrically conductive wire ( 223 ) having.
    [3]
    Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrischeTeil-Anschlusselement (222) eine strukturierte elektrischleitfähigeFolie aufweist.Component according to claim 1 or 2, wherein the electrical part connection element ( 222 ) has a structured electrically conductive film.
    [4]
    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/oderpiezoelektrisch inaktive Keramikschicht (109) ausgewählten Teilschichtdes Aktorkörpers(20) gebildet ist.Component according to one of claims 1 to 3, wherein the predetermined breaking point ( 100 ) of at least one of the group piezoceramic layer ( 103 ) and / or electrode layer ( 101 ) and / or piezoelectrically inactive ceramic layer ( 109 ) selected sub-layer of the actuator body ( 20 ) is formed.
    [5]
    Bauteil nach Anspruch 4, wobei die Sollbruchstelle(100) von einer der Teilschichten des Aktorkörpers (20)gebildet ist und ein Risswiderstand der Teilschicht kleiner istals der Risswiderstand weiterer Teilschichten des Aktorkörpers (20).Component according to claim 4, wherein the predetermined breaking point ( 100 ) of one of the sub-layers of the actuator body ( 20 ) is formed and a crack resistance of the sub-layer is smaller than the crack resistance of further sub-layers of the actuator body ( 20 ).
    [6]
    Bauteil nach Anspruch 4, wobei die Sollbruchstelle(100) von einer Grenzfläche(108) zwischen mindestens zwei der Teilschichten des Aktorkörpers gebildetist und eine Haftfestigkeit der Teilschichten aneinander im Vergleichzur Haftfestigkeit weiterer Teilschichten des Aktorkörpers aneinanderkleiner ist.Component according to claim 4, wherein the predetermined breaking point ( 100 ) from an interface ( 108 ) is formed between at least two of the sub-layers of the actuator body and an adhesion strength of the sub-layers to each other in comparison to the adhesion of further sub-layers of the actuator body to each other is smaller.
    [7]
    Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einemder Ansprüche1 bis 6 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstelleneines monolithischen, stapelförmigen Aktorkörpers mit – in einerStapelrichtung des Aktorkörpersabwechselnd übereinanderangeordneten Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten, wobeidie Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweilseinen seitlichen Oberflächenabschnittdes Aktorkörpersgeführtsind, und – mindestenseiner Sollbruchstelle, die bei mechanischer Überlastung zur Bildung einesRisses im Aktorkörperführt,der den Aktorkörperin mindestens zwei Teilstapel unterteilt, und b) Anordnen einesgemeinsamen elektrischen Teil-Anschlusselementsan einen gemeinsamen seitlichen Oberflächenabschnitt des Teilstapelsdes Aktorkörperszur gemeinsamen elektrischen Kontaktierung von Elektrodenschichtendes Teilstapels.A method for producing a component according to one of claims 1 to 6 with the following method steps: a) providing a monolithic, stacked actuator body with - in a stacking direction of the actuator body alternately stacked electrode layers and piezoceramic layers, wherein the electrode layers for electrical contacting to a respective lateral surface portion of the Actuator are guided, and - at least one predetermined breaking point, the mechani shear overloading leads to the formation of a crack in the actuator body which divides the actuator body into at least two sub-stacks, and b) arranging a common electrical sub-connection element on a common lateral surface section of the sub-stack of the actuator body for the common electrical contacting of electrode layers of the sub-stack.
    [8]
    Verwendung eines piezoelektrischen Bauteils nacheinem der Ansprüche1 bis 6 zum Ansteuern eines Ventils und insbesondere eines Einspritzventils einerBrennkraftmaschine.Use of a piezoelectric component according toone of the claims1 to 6 for driving a valve and in particular an injection valve aInternal combustion engine.
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004031404B4|2010-04-08|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-02-02| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2010-09-30| 8364| No opposition during term of opposition|
    2014-02-20| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE Effective date: 20140113 |
    2020-05-15| R084| Declaration of willingness to licence|
    2020-06-03| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
    2022-01-18| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410031404|DE102004031404B4|2004-06-29|2004-06-29|Piezoelectric component with predetermined breaking point and electrical connection element, method for producing the component and use of the component|DE200410031404| DE102004031404B4|2004-06-29|2004-06-29|Piezoelectric component with predetermined breaking point and electrical connection element, method for producing the component and use of the component|
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