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DE102004031404B4 - Piezoelectric component with predetermined breaking point and electrical connection element, method for producing the component and use of the component - Google Patents

Piezoelectric component with predetermined breaking point and electrical connection element, method for producing the component and use of the component Download PDF

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DE102004031404B4
DE102004031404B4 DE102004031404A DE102004031404A DE102004031404B4 DE 102004031404 B4 DE102004031404 B4 DE 102004031404B4 DE 102004031404 A DE102004031404 A DE 102004031404A DE 102004031404 A DE102004031404 A DE 102004031404A DE 102004031404 B4 DE102004031404 B4 DE 102004031404B4
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electrode layers
breaking point
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crack
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Harald Johannes Kastl
Carsten Dr. Schuh
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Vitesco Technologies GmbH
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Siemens Corp
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    • H10N30/50Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/508Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure adapted for alleviating internal stress, e.g. cracking control layers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M63/0015Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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), ...

Figure 00000001
Figure 00000001

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

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 DE 196 48 545 A1 geht eine im Vergleich zur „Drahtharfe” ähnliche Lösung hervor. Zur elektrischen Kontaktierung der Innenelektroden wird eine dreidimensional strukturierte Außenelektrode aufgebracht.From the DE 196 48 545 A1 is similar to the "wire harp" solution. For electrically contacting the internal electrodes, a three-dimensionally structured external electrode is applied.

Aus der DE 199 28 178 A1 ist ein Piezoaktor mit Aktorkörper bekannt, der aus Teilstapeln aufgebaut ist. Die Teilstapel sind über ein flexibles Anschlusselement in Form einer flexiblen Metallfolie elektrisch miteinander verbunden.From the DE 199 28 178 A1 is a piezoelectric actuator with actuator body known, which is composed of sub-stacks. The partial stacks are electrically connected to each other via a flexible connection element in the form of a flexible metal foil.

Aus der DE 102 07 530 A1 geht ebenfalls ein piezoelektrisches Bauteil hervor. Das elektrische Anschlusselement wird dabei von einer am seitlichen Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers angebrachten Metallisierungsschicht gebildet. Es wurde erkannt, dass bei thermischer Belastung in der Metallisierungsschicht Scherspannungen auftreten können, so dass die Metallisierungsschicht teilweise vom Aktorkörper abgelöst wird. Um dieses Problem zu lösen, weist die Metallisierungsschicht aus DE 102 07 530 A1 Vertiefungen auf. Diese Vertiefungen führen zu einer Reduzierung der in der Metallisierungsschicht auftretenden Scherspannungen. Es wird die Wahrscheinlichkeit für das Ablösen der Metallisierungsschicht reduziert. Aber auch hier kann unkontrollierte Rissbildung und unkontrolliertes Risswachstum im Aktorkörper auftreten, was zu einem Ausfall des piezoelektrischen Bauteils führen kann.From the DE 102 07 530 A1 also shows a piezoelectric component. The electrical connection element is formed by a metallization layer attached to the lateral surface section of the actuator body. It has been recognized that under thermal stress in the metallization layer, shear stresses can occur, so that the metallization layer is partially detached from the actuator body. To solve this problem, the metallization layer has failed DE 102 07 530 A1 Depressions on. These depressions lead to a reduction of the shear stresses occurring in the metallization layer. It reduces the probability of detachment of the metallization layer. But even here, uncontrolled cracking and uncontrolled crack growth can occur in the actuator body, which can lead to failure of the piezoelectric component.

Ein andere Lösung geht aus der WO 01/01499 A1 hervor. Dabei weisen die Innenelektroden Verdickungen an den Stellen auf, an denen sie mit einer Außenelektrode mechanisch und elektrisch verbunden sind.Another solution comes from the WO 01/01499 A1 out. In this case, the internal electrodes have thickenings at the locations where they are mechanically and electrically connected to an outer electrode.

Aus der DE 197 04 389 C2 geht ein piezoelektrisches Bauteil hervor, dessen Aktorkörper aus mehreren, nicht starr miteinander verbundenen Einzelelementen aufgebaut ist. Zwischen den Einzelelementen sind Dehnungslücken vorhanden. Daher ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines oben beschriebenen Risses im Aktorkörper relativ klein. Allerdings ist der Aktorkörper nicht selbst tragend. Es ist ein dehnbarer Trägerkörper zum Tragen der Einzelelemente des Aktorkörpers notwendig.From the DE 197 04 389 C2 goes out a piezoelectric component whose actuator body is composed of several, not rigidly interconnected individual elements. There are expansion gaps between the individual elements. Therefore, the probability of the occurrence of a crack in the actuator body described above is relatively small. However, the actuator body is not self-supporting. It is a stretchable carrier body for supporting the individual elements of the actuator body necessary.

Die DE 102 34 787 C1 beschreibt einen Piezoaktor mit Aktorkörper, in dessen Keramiklagen gezielt Mikrostörungen der Gefügestruktur eingebracht sind. Diese Mikrostörungen führen dazu, dass die Keramiklagen als Sollbruchstellen fungieren. In diesen Keramiklagen treten bevorzugt Risse auf.The DE 102 34 787 C1 describes a piezoelectric actuator with actuator body, in whose ceramic layers targeted micro-disturbances of the microstructure are introduced. These micro-disturbances cause the ceramic layers to function as predetermined breaking points. In these ceramic layers are preferably cracks.

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.
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.

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

1 zeigt ein Piezoelement im seitlichen Querschnitt. 1 shows a piezoelectric element in the lateral cross-section.

2 zeigt einen Ausschnitt eines monolithischen Aktorkörpers mit einem an einer Sollbruchstelle entstandenen Riss. 2 shows a section of a monolithic actuator body with a crack formed at a predetermined breaking point.

3 zeigt einen Ausschnitt eines piezoelektrischen Bauteils in Form eines Piezoaktors mit einem Aktorkörper in 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.

4A und 4B zeigen einen Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise mit mehreren Sollbruchstellen von der Seite. 4A and 4B show an actuator body in monolithic multilayer construction with multiple predetermined breaking points from the side.

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

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

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

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

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

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

Der Aktorkörper 20 weist mindestens eine Sollbruchstelle 100 auf. Dabei ist die Sollbruchstelle 100 direkt von einer Elektrodenschicht 101 gebildet (2). Die Elektrodenschicht 101 zeichnet sich durch einen relativ geringen Risswiderstand aus. Bei der mechanischen Überlastung des Aktorkörpers 20 bildet sich in der Elektrodenschicht 100 ein Riss 110.The actuator body 20 has at least one predetermined breaking point 100 on. Here is the breaking point 100 directly from an electrode layer 101 educated ( 2 ). 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 ,

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

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

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

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

Claims (6)

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, – die Sollbruchstelle von Elektrodenmaterial der Elektrodenschicht derart gebildet ist, dass sich der Riss in der Elektrodenschicht bildet.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 ), wherein - 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 ( 20 ), 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, wherein - at least one of the electrode layers, the predetermined breaking point ( 100 ), - the predetermined breaking point of electrode material of the electrode layer is formed such that the crack forms in the electrode layer. 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. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrische Teil-Anschlusselement (222) eine strukturierte elektrisch leitfähige Folie aufweist.Component according to claim 1 or 2, wherein the electrical part connection element ( 222 ) has a structured electrically conductive film. Bauteil nach Anspruch 3, wobei die Sollbruchstelle (100) von einer Teilschicht des Aktorkörpers (20) gebildet ist und ein Risswiderstand der Teilschicht kleiner ist als der Risswiderstand weiterer Teilschichten des Aktorkörpers (20).Component according to claim 3, wherein the predetermined breaking point ( 100 ) of a partial layer 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 ). Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines monolithischen, stapelförmigen Aktorkörpers mit – in einer Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd übereinander angeordneten Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten, wobei die Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung an jeweils einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers geführt sind, und – mindestens einer Sollbruchstelle, die bei mechanischer Überlastung zur Bildung eines Risses im Aktorkörper führt, der den Aktorkörper in mindestens zwei Teilstapel unterteilt, und b) Anordnen eines gemeinsamen elektrischen Teil-Anschlusselements an einen gemeinsamen seitlichen Oberflächenabschnitt des Teilstapels des Aktorkörpers zur gemeinsamen elektrischen Kontaktierung von Elektrodenschichten des Teilstapels.Method for producing a component after a the claims 1 to 4 with the following process steps: a) Provide a monolithic, stacked actuator body with - in a Stacking direction of the actuator body alternately on top of each other arranged electrode layers and piezoceramic layers, wherein the electrode layers for electrical contacting to each a lateral surface section of the actuator body guided are and - at least a breaking point, which in case of mechanical overload to form a Crack in the actuator body leads, the actuator body divided into at least two sub-stacks, and b) arranging a common electrical part connection element to a common side surface portion of the sub-stack of the actuator body for the common electrical contacting of electrode layers of the sub-stack. Verwendung eines piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Ansteuern eines Ventils und insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.Use of a piezoelectric component according to one of the claims 1 to 4 for driving a valve and in particular an injection valve a Internal combustion engine.
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