DE102004031404B4 - Piezoelectric component with predetermined breaking point and electrical connection element, method for producing the component and use of the component - Google Patents
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Abstract
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, wobei
– der Aktorkörper (20) mindestens eine Sollbruchstelle (100) aufweist, die bei mechanischer Überlastung zur Bildung eines bestimmten Risses (110) im Aktorkörper (20) 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, wobei
– zumindest eine der Elektrodenschichten die Sollbruchstelle (100) aufweist,...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 alternately one above the other and
- The electrode layers (101, 202, 103) for electrical contacting to each side surface portion (204, 205) of the actuator body (20) out and contacted there with an electrical connection element (24), wherein
- The actuator body (20) has at least one predetermined breaking point (100) which leads to the formation of a certain crack (110) in the actuator body (20) in case of mechanical overload, and
The predetermined breaking point (100) is configured in such a way that the actuator body (20) is subdivided into at least two partial stacks (22, 23) by the crack (110) and the electrode layers (221) connected to a common lateral surface portion (204) of the Partial stack (22) of the actuator body (20) are guided, remain electrically contacted with a common part-connection element (222), wherein
- At least one of the electrode layers has the predetermined breaking point (100), ...
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.The The invention relates to a piezoelectric component with a monolithic, stacked actuator body, in which in a stacking direction of the actuator body electrode layers and Piezoceramic layers are arranged alternately one above the other and the electrode layers for making electrical contact with each a lateral surface section of the actuator body guided and contacted there with an electrical connection element. In addition, a method of manufacturing and use of the piezoelectric component specified.
Ein
derartiges piezoelektrisches Bauteil ist beispielsweise aus der
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.The Piezoceramic 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 direction adjacent electrode layers alternately on two electrically from each other isolated, lateral surface sections of the actuator body guided. At these surface sections has the actuator body each a strip-shaped Metallization on.
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.in the Area of the described surface sections of the actuator body each of the piezoelectric elements is piezoelectrically inactive. Due to the alternating leadership the electrode layers to the surface portions is in a piezoelectrically inactive region of the piezoelectric layer an electric field coupled, which differs significantly from the electric Field differs into a piezoelectrically active area the piezoceramic layer is coupled. The piezoelectrically active area The piezoceramic layer is in contrast to the piezoelectric inactive area directly between the electrode layers of the piezoelectric element.
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.at the electrical control of the electrode layers, ie at Polarizing the piezoceramic and / or during operation of the piezoelectric actuator it comes due to the different electrical fields to different Deflections of the piezoceramic layer in the piezoelectrically active Area and in the piezoelectrically inactive area. As a result, join mechanical stresses in the piezoelectric element, resulting in a so-called Polungsriss transverse to the stacking direction or to a crack growth of an already lead to existing crack can. In this case, such a poling crack up to the at the respective surface section attached to the actuator body Continue metallization. This leads to an interruption the electrical contacting of at least a portion of the electrode layers of the actuator body.
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).In order to an existing poling crack in the actuator body does not lead to a failure of the piezoelectric actuator leads is in the known piezoelectric actuator to the laterally mounted metallizations of the actuator body each mounted a flexible electrical connection element. Each of the flexible connection elements has a plurality of electrical conductive Wires up. Along the stacking direction of the actuator body are the wires of a Connection element soldered to one of the metallizations. The wires take care of the electrical contacting of the electrode layers of the actuator body (indirectly via the respective metallization).
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.to electrical contacting of the wires of the connection element is a rigid, aligned along the stacking direction of the actuator body, electrical connection pin available. At this pin are the wires soldered. The result is an electrical connection element in the form of a "wire harp". The contact the wires and the internal electrodes of the actuator body is ensured even then if it is due to the deflection of the actuator body (expansion and contraction along the stacking direction) to a poling crack transverse to the stacking direction or to the growth of an existing polarity crack transverse to the stacking direction.
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.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 are based. Intrinsic influencing variables relate for example to a microstructure of a piezoceramic layer and / or an electrode layer.
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.The microstructure may result in anisotropic crack resistance within the respective layer. Of the Crack resistance is within the layer in different directions different. Extrinsic factors are based, for example on an electrical rising edge in dynamic operation or on insufficient clamping of the actuator body. As a result of uncontrolled growth a Polungsrisses it may cause the failure of the piezoelectric actuator come. A reliability of the actuator is not guaranteed.
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Ein
andere Lösung
geht aus der
Aus
der
Die
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.task It is therefore a piezoelectric component of the present invention to provide that compared to the prior art easier is to produce and at the same time has a higher reliability.
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, wobei 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, wobei zumindest eine der Elektrodenschichten die Sollbruchstelle aufweist und wobei die Sollbruchstelle von Elektrodenmaterial der Elektrodenschicht derart gebildet ist, dass sich der Riss in der Elektrodenschicht bildet.to solution The object is a piezoelectric component with a monolithic, stacked actuator body specified, in which in a stacking direction of the actuator body electrode layers and Piezoceramic layers are arranged alternately one above the other and the electrode layers for making electrical contact with each a lateral surface section of the actuator body led and contacted there with an electrical connection element, wherein the actuator body has at least one predetermined breaking point, the mechanical overload leads to the formation of a specific crack in the actuator body, and the predetermined breaking point is configured such that by the crack of the actuator body in at least two sub-stacks is divided and the electrode layers, the to a common side surface portion of the sub-stack of the actuator body guided are electrically contacted with a common part-connection element remain, wherein at least one of the electrode layers, the predetermined breaking point and wherein the predetermined breaking point of electrode material of Electrode layer is formed such that the crack in the Electrode layer forms.
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.To achieve the object, a method for producing the piezoelectric component is also specified with the following method steps: a) Provision of a monolithic, stacked actuator body with electrode layers and piezoceramic layers alternately arranged in a stacking direction of the actuator body, the electrode layers being connected to a respective lateral surface section for electrical contacting of the actuator body are guided, and with at least one predetermined breaking point which leads to a crack in the actuator body in mechanical overload which divides the actuator body into at least two partial stacks, and b) arranging a common electrical partial connection element to a common lateral surface portion of the partial stack of the actuator body to the common electric Contacting of electrode layers of the sub-stack.
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.To the Providing the actuator body become ceramic green sheets, which have a piezoceramic (eg lead zirconate titanate) with a metal paste (eg with a silver-palladium alloy) printed, one above the other stacked and sintered together. The green films form the piezoceramic layers. A layer thickness of the piezoceramic layers formed is, for example about 80 μm. From the Printed metal paste form the electrode layers (internal electrodes). A layer thickness of the resulting electrode layers is, for example 2 μm. In front or after sintering are applied to two lateral surface portions of actuator body Metallization tracks attached.
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.Of the actuator body is designed such that one or more predetermined breaking points available. A breaking point is a part of the actuator body, the in case of overload, comparable to a fuse, by forming a crack or is destroyed by growth of an existing crack. This is the crack essentially limited to the predetermined breaking point. It will only the breaking point destroyed, but not the entire actuator body or other areas of the actuator body. The crack is limited locally to the predetermined breaking point and does not spread to other areas of the actuator body. This makes it possible for the Formation of a crack or to control the growth of a crack.
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.Of the Crack leads to a fracture of the monolithic actuator body at the predetermined breaking point. The breakage is a process of mechanically induced deformation of a material puts an end to it. The break is in particular one Brittle fracture. The brittle fracture can be caused by creep (creep breakage) and especially by fatigue (fatigue fracture) caused. Under fatigue will be a failure of materials due to progressive crack growth understood by repeated (mechanical) voltage cycles is caused.
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.With the crack leads to a subdivision of the actuator body in at least two partial stacks. Within each sub-stack are the Electrode layers led to lateral surface portions of the actuator body. The Supply connector elements are designed such that, despite the formation of a crack, the electrode layers the partial stack of the actuator body electrically stay contacted. The partial connection element or the partial connection elements are with the help of an electric conductive Lanyard to the side surface sections electrically and contacted mechanically. 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 to the surface sections or soldered.
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.One electrical part connection element is preferably a flexible electrical part connection element. The electrical part connection element takes care of the permanent electrical contacting of electrode layers of the sub-stack. Due to the fact that, despite the crack occurring, the electrode layers of the sub-stack remain electrically controllable, finds how before a deflection of the sub-stack instead. The flexible part connection element can be the expansion and contraction of the sub - stack of actuator body consequences.
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”.In a special embodiment, the electrical part-connection element an electrically conductive Wire on. Also conceivable is a multiplicity of electrically conductive wires. The Part connection element is for example a wire mesh or a "wire harp".
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.The Part connection element or the partial connection elements of each Partial stacks are designed such that one for the electrical control of the Electrode layers of the sub-stack necessary Stromstragfähigkeit guaranteed is. About that In addition, the sub-connection element is designed such that the Deflection of the respective sub-stack is taken into account. For example it can be partial stack of the actuator body give, which are characterized by a small deflection. A partial stack with a small deflection is located for example in the Near one solid floor plate. One for the contacting of the electrode layers of such a sub-stack designed partial connection element requires a relatively low flexibility. So it is enough, for example Electrode layers (same polarity) of a sub-stack with a low deflection only with a single, relatively thick wire to contact. In contrast, it may be advantageous to electrode layers a sub-pile characterized by a strong deflection, with several, but for that thinner and more flexible wires to contact electrically. But here is a single electrically conductive wire as a partial connection element to prefer. Because a single wire as a partial connection element leads to a simplified design compared to the prior art and to a simplified contacting method.
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 a further embodiment, the partial connection element has a structured, electrically conductive foil. This film is for example a metal foil. Also conceivable is a plastic film, is applied to the electrically conductive material structured. The structured, electrically conductive film performs the same function as the wires described above. The film can by differently configured webs and recesses different Stromtragfähigkeiten and under ensure different deflection possibilities.
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 a particular embodiment, the predetermined breaking point of a the partial layers of the actuator body formed, wherein a crack resistance of the sub-layer is smaller than the crack resistance of further partial layers of the actuator body. This means that a breaking strength of a material of the sublayer of the actuator body with the predetermined breaking point is less than a breaking strength of Materials of the other sub-layers of the actuator body. The Partial layer with the predetermined breaking point is the weakest link within the actuator body. at mechanical overload of the actuator body a crack develops in this sub-layer.
Um unterschiedliche Risswiderstände 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.Around different crack resistances the partial layers of the actuator body To achieve, for example, the electrode materials used differ the electrode layers from each other. This applies, for example their chemical composition and / or their material structure. The material structure concerns, for example, a structure (eg core-shell structure) and a size or a size distribution of grains the electrode materials and a microstructure of the electrode materials. The structure for example, concerns a porosity of an electrode material. A different porosity of the electrode material For example, by using different metal pastes realize in the production of the piezoelectric element. The metal pastes are used to form the electrode layers on one or more Printed electrode layers. The different metal pastes are characterized for example by different binder and / or Solids content. As binders and / or solids, for example Substances used, which decompose during sintering. Such substances consist 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 when Sintering burn the plastic beads out. They remain in the electrode layers formed during sintering Pores. Different pore proportions and / or pore sizes lead to different crack resistances and adhesion.
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.Within of the actuator body a single predetermined breaking point can be provided. The actuator body is divided into two sub-stacks by the formation of a crack. Preferably but are several predetermined breaking points along the stacking direction of actuator body distributed. The actuator body is divided into several sub-stacks. Here, individual partial stacks in Be substantially the same. This means that the predetermined breaking points at regular intervals from each other within the actuator body are arranged. It is conceivable in addition, the break points are arranged at irregular intervals from each other are. It is conceivable, for example, that the distances between the predetermined breaking points in Areas of the actuator body are bigger, in which a relatively weak deflection takes place. In contrast, the distances smaller between the predetermined breaking points in areas of the actuator body be stronger in those Deflections occur. This results in different levels of partial stacks. Each partial stack can turn for to a common surface section guided electrode layers a single wire as a partial connection element be provided. Again, the wire can meet the requirements be configured of the respective sub-stack. This concerns a current carrying capacity of the wire and a flexibility of the Wire.
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.
- - 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.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Based several embodiments and the associated Figures, the invention is explained in more detail below. The figures are schematic and do not represent to scale Illustrations
Das
piezoelektrische Bauteil
Der
Aktorkörper
Die
Elektrodenschichten
Zur
elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten
Eine
Vielzahl von Piezoelementen
Der
seitliche Oberflächenabschnitt
Der
Aktorkörper
Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel ist
eine der Elektrodenschichten als Sollbruchstelle
Gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel sind
mehrere Sollbruchstellen
Alternativ
dazu sind pro Teilstapel
Zum
Herstellen des piezoelektrischen Bauteils
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