DE102005023370A1 - Piezoelektrischer oder elektrostriktiver Stack mit erhöhter Lebensdauer - Google Patents

Piezoelektrischer oder elektrostriktiver Stack mit erhöhter Lebensdauer Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Stack, insbesondere einen Multilayer-Piezostack (1), wobei der Stack (1) zur Erhöhung der Anzahl der Polungsrisse (50) eine wenigstens abschnittsweise aufgeraute Kante (60) und/oder eine wenigstens bereichsweise aufgeraute Fläche (70) aufweist, wobei eine Rautiefe (R) dieser von der aufgerauten Kante (60) und/oder aufgerauten Fläche (70) gebildeten Vergröberung (80) größer ist als in direkt benachbarten Bereichen des Stacks (1). DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erhöhen einer Lebensdauer eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Stacks (1), wobei der Stack (1) zur Erhöhung der Anzahl der Polungsrisse (50) an einer Kante (60) und/oder an einer Fläche (70) einer Oberflächenbehandlung unterzogen wird, die die Oberfläche wenigstens an einem Abschnitt der Kante (60) bzw. wenigstens in einem Bereich der Fläche (70) rauer macht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Stack, insbesondere einen monolithischen Multilayer-Piezostack für Aktuatoren von Kraftstoffinjektoren, wobei eine Rissbildung in Längsrichtung des Stacks beim Polarisieren und im späteren Betrieb vermieden wird, sowie ein Verfahren dafür. Ferner betrifft die Erfindung einen Aktuator mit einem solchen Multilayer-Piezostack, sowie einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Aktuator.
  • Z. B. piezokeramische Multilayer-Aktuatoren bzw. Multilayer-Stacks weisen alternierend angeordnete Schichten von Piezokeramik- und Innenelektrodenmaterial auf. Bei einer erstmaligen elektrischen Ansteuerung dieser Vielschichtstruktur bis in den Großsignalbereich werden die Piezokeramikschichten polarisiert und zeigen dabei jeweils eine irreversible Längenänderung, die sogenannte remanente Dehnung. Aufgrund dieser erstmaligen und im Vergleich zum späteren Betrieb des Aktuators großen Längenänderung der Piezokeramikschichten entstehen mechanische Zugspannungen in der Gesamtstruktur des Stacks, welche dazu führen, dass im Verlauf der Polarisierung und auch in einem späteren Betrieb des Aktuators sogenannte Polungsrisse bzw. Risse im Piezostack entstehen.
  • Die Polungsrisse verlaufen in Querrichtung zum Multilayer-Piezostack und bevorzugt entlang des Interfaces Innenelektrode/Piezokeramikmaterial, sowie innerhalb der Piezokeramikschichten selbst. Solche Polungsrisse sind für die Zuverlässigkeit im dynamischen Betrieb des Multilayer-Aktuators unschädlich, können aber bei Vorliegen ungünstiger intrinsischer Einflüsse, wie z. B. einer fehlerhaften Gefügestruktur und/oder einer Defektpopulation, und auch bei Vorliegen extrinsischer Einflüsse, wie z. B. den elektrischen Anstiegs flanken im dynamischen Betrieb und/oder einer unzureichenden Klemmung, abgelenkt werden bzw. sich verzweigen. Diese dann oft in Längsrichtung des Multilayer-Piezostacks abgelenkten Risse bzw. Verzweigungen von Polungsrissen mit einem senkrechten Anteil zur ursprünglichen Richtung des Polungsrisses, beeinträchtigen die Funktionstüchtigkeit des Multilayer-Aktuators und können zu einem vorzeitigen Ausfall des Multilayer-Aktuators führen. Insbesondere von Nachteil sind diejenigen Risse in Längsrichtung des Multilayer-Piezostacks, die zwei benachbarte Innenelektroden elektrisch verbinden und so einen elektrischen Kurzschluss erzeugen.
  • Polungsrisse entstehen bevorzugt in denjenigen Bereichen des Multilayer-Piezostacks, in welchen der Multilayer-Piezostack inaktive Kontaktierungszonen aufweist. In den inaktiven Kontaktierungszonen sind die Innenelektroden des Multilayer-Piezostacks ausgenommen, damit diese Innenelektroden nicht mit einer falschen Außenmetallisierungsbahn, welche die Innenelektroden mit Spannung versorgt, elektrisch kontaktiert werden. Diese inaktiven Bereiche werden weder beim Polarisieren noch beim Betrieb des Multilayer-Aktuators piezoelektrisch gedehnt, wodurch bei der Polarisierung hohe Zugspannungskonzentrationen in den inaktiven Bereichen entstehen, die zur oben genannten Polungsrissbildung führen.
  • Entscheidend für den Rissverlauf bzw. den Weiterverlauf eines Risses ist die Höhe des Reißwiderstands in den verschiedenen Richtungen der Keramik. Bei einem hohen Reißwiderstand in der Keramik senkrecht zu den Innenelektroden und einem deutlich niedrigeren Reißwiderstand parallel zu den Innenelektroden, bilden sich nur Risse aus, die in Querrichtung zum Multilayer-Piezostack, also parallel zu den Innenelektroden verlaufen. Wie oben schon erwähnt, ist ein solches Verhalten unschädlich für die Lebensdauer eines Multilayer-Aktuators im dynamischen Betrieb. Bei annähernd gleichem Reißwiderstand parallel und senkrecht zu den Innenelektroden ist allerdings mit einer unerwünschten Ablenkung der Risse in Längsrichtung des Multilayer-Piezostacks zu rechnen. Ferner kann es zu einer Aufspaltung des ursprünglichen Risses in zwei Risse kommen, die jeweils für sich in aktive Bereiche des Multilayer-Piezostacks weiter wachsen und so die Lebensdauer des Multilayer-Aktuators herabsetzen. Solche sich verzweigenden Risse werden Y-Risse genannt.
  • Aber auch ohne das Vorliegen von Polungsrissen können sich Längsrisse senkrecht zu den Innenelektroden bilden, was aufgrund hoher und/oder inhomogener mechanischer Belastung der Vielschichtstruktur hervorgerufen werden kann. Dies ist z. B. bei einem Betrieb des Multilayer-Aktuators gegen einen Anschlag; beim Auftreten hoher Kraftgradienten im Verlauf einer Auslenkung bei einer schnellen inhomogenen Erwärmung, z. B. bei hochdynamischer elektrischer Ansteuerung; oder bei prozessbedingten, stark unterschiedlichen Größen der inaktiven Bereiche der Fall. Bei solcherart entstandener Risse bestehen dieselben Probleme wie beim oben Gesagten.
  • Entscheidend für die Lebensdauer eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Bauteils, insbesondere für die monolithischen piezokeramischen Multilayer-Aktuatoren sind die Art, der Ort und die Generierung von Rissen, sowie die Richtung der Verlängerung von Rissen, insbesondere parallel zum piezoelektrischen Dehnfeld.
  • Durch die Polarisierung der dadurch dehnungsaktiven Bereiche des piezokeramischen Multilayer-Piezostacks entstehen in den inaktiven Bereichen Zugspannungen, die dadurch abgebaut werden, dass ausgehend von einer zur Außenmetallisierung benachbarten, bevorzugt direkt parallel benachbarten Außenkante Polungsrisse entstehen. Diese Polungsrisse dürfen nicht in den aktiven Bereich laufen, da bei einer Verzweigung bzw. einem senkrechten Ablenken eines Polungsrisses zu seiner ursprünglichen Richtung, die Gefahr besteht, dass der Polungsriss zwei direkt benachbarte Innenelektroden unterschiedlichen elektrischen Potentials elektrisch leitend verbindet. Ist die Oberfläche und/oder die Außenkante des Multilayer-Piezostacks sehr glatt bzw. die Bruchfestigkeit der Piezokeramik sehr hoch, so entstehen nur wenige, vergleichsweise große Polungsrisse, wodurch die mechanischen Spannungen nicht genügend abgebaut werden und daher die Polungsrisse zum Verzweigen bzw. Ablenken neigen, um den Piezostack mechanisch zu entlasten zu können.
  • Im Stand der Technik wird zum Leiten bzw. zum Führen eines solchen Polungsrisses die Bruchfestigkeit der Innenelektrode und die Haftfestigkeit der Innenelektrode zur Keramik hin reduziert. Beim Entstehen nur weniger Polungsrisse, z. B. bei hoher Bruchfestigkeit der Keramik, führt das trotzdem dazu, dass die Zugspannungen nicht genügend abgebaut werden und der Polungsriss dennoch weiter in den aktiven Bereich des Multilayer-Piezostacks wächst.
  • Um der Rissbildung zu begegnen werden ferner im Stand der Technik z. B. sogenannte Sicherheitslayer in eine solche piezokeramische Vielschichtstruktur eingebaut. Sicherheitslayer sind elektrisch inaktive Keramikschichten mit geringem Reißwiderstand, wobei z. B. in einem 30mm-Stack neun Sicherheitslayer vorgesehen sind. Hierbei entstehen und wachsen Polungsrisse bevorzugt innerhalb der Sicherheitslayer. Problematisch hierbei ist das Design der piezokeramischen Vielschichtstruktur, da z. B. beim Auftreten von schädlichen Rissen in der dehnungsaktiven Vielschichtstruktur die Sicherheitslayer anders positioniert oder zusätzliche Sicherheitslayer vorgesehen werden müssen, was herstellungstechnisch einen hohen Aufwand bedeutet eine Stackstruktur mit z. B. über 300 Schichten entsprechend anzupassen.
  • Ferner offenbart die DE 102 34 787 C1 ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vielschichtstruktur, wobei innerhalb der Vielschichtstruktur im Abstand von 1 bis 4mm, bevorzugt im Abstand von 2 bis 3mm, gezielt Gefügeinhomogenitäten vorgesehen sind. Bevorzugt werden diese Gefügeinhomoge nitäten beim Sinterprozess erzeugt, indem beim Stapellayout eine Schicht oder eine Menge eines organischen Binders aufgebracht wird, die beim Sinterprozess nahezu vollständig ausbrennt. Diese Gefügeinhomogenitäten wirken als Rissquelle, an welchen später ein gezieltes Risswachstum erfolgen soll, um so einer Rissbildung bzw. einem unkontrollierbaren Risswachstum in einem unerwünschten Bereich innerhalb der Vielschichtstruktur zu begegnen. Problematisch hierbei ist, dass vor dem Sintern, also schon beim Layout der Vielschichtstruktur, diese Gefügeinhomogenitäten angelegt oder vorgesehen werden müssen. Dies wiederum macht ein Anpassen nachfolgender Vielschichtstrukturen bei einem unerwünschten Risswachstum im Betrieb einer vorausgegangenen Vielschichtstruktur schwierig, wodurch tiefgreifendere Veränderungen im Herstellungsverfahren notwendig sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes piezoelektrisches oder elektrostriktives Bauteil, bevorzugt einen monolithischen Multilayer-Piezostack, mit verlängerter Lebensdauer, sowie ein Verfahren dafür, anzugeben. Insbesondere sollte eine Längsrissbildung bei Polungsrissen verhindert sein. Die erfindungsgemäße Lösung sollte einfach, flexibel und schnell an unterschiedliche Gegebenheiten, wie z. B. unterschiedliche Bauteilabmessungen, sowie an später im Betrieb des Bauteils neu auftauchenden, unerwünschten Rissen, für nachfolgende Bauteile anpassbar sein.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Bauteil, insbesondere einem monolithischen Multilayer-Piezostack, gelöst, welches eine wenigstens teilweise vergröberte Fläche, Kante oder Seite aufweist. Ferner wird die Aufgabe der Erfindung mittels eines Oberflächenbehandlungsverfahrens für ein solches Bauteil gelöst, welches die erfindungsgemäßen Vergröberungen in das Bauteil einbringt. Diese Vergröberung wird beispielsweise mittels Kerben und/oder kleinen Anrissen im Bauteil realisiert, die als Risskeime für spätere Risse bzw. Polungsrisse dienen. Durch das Vorsehen solcher Risskeime wird eine Rissbildung begünstigt und dadurch die Anzahl der Risse bzw. Polungsrisse im Bauteil erhöht. Hierdurch entstehen erfindungsgemäß auch bei Keramiken mit hoher Bruchfestigkeit mehr Risse bzw. Polungsrisse als im Stand der Technik, wodurch die mechanischen Spannungen derart abgebaut werden, dass es zu keiner Längsrissbildung senkrecht zu z. B. Innenelektroden bzw. zu einer Rissweiterbildung kommt. Eine mittlere Rautiefe einer solchen Vergröberung des Multilayer-Piezostacks ist vorzugsweise um den Faktor 10-100 größer als im Stand der Technik. Die mittleren Rautiefen im Stand der Technik liegen nach einem Schleifen nach der Sinterung bzw. vor einer Polarisierung des Multilayer-Piezostacks bei 1-5μm, insbesondere bei 2-4μm und im Mittel bei 3μm. Bevorzugte erfindungsgemäße mittlere Rautiefen ergeben sich zu 10-100μm. Der Stack weist daher insgesamt eine größere mittlere Rautiefe auf, als vor dem Einarbeiten der Vergröberung.
  • Im Folgenden ist nur noch von Polungsrissen die Rede, wobei das nachfolgend für Polungsrisse Gesagte auch analog für allgemeine Risse gilt, die z. B. bei einem späteren Betrieb oder Ansteuerung des Bauteils entstehen.
  • Bevorzugt wird die Vergröberung an einer Außenseite des Bauteils zeitlich vor einer Polarisierung bzw. Polung des Bauteils und zeitlich nach einem Sintern des Bauteils eingearbeitet. Das Vorsehen der Vergröberung vor der Polarisierung hat den Vorteil – da bei der Polarisierung die längste Dehnung des Bauteils in dessen gesamter Lebensdauer auftritt – dass eine vermehrte Anzahl von kleineren Polungsrissen im Vergleich zum Stand der Technik (wenige große Polungsrisse) entsteht und so die mechanischen Spannungen aufgrund der Polarisierung besser abgebaut werden können, wodurch eine zukünftige Längsrissbildung vermieden werden kann und das Bauteil dadurch eine höhere Lebenserwartung aufweist.
  • Bevorzugt wird die Vergröberung einfach mittels einer Schleifscheibe, insbesondere einer sehr groben Schleifscheibe oder einer profilierten Scheibe, in das Bauteil von außen eingearbeitet. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Vergröberung schnell, einfach und kostengünstig in das Bauteil eingebracht werden kann, ohne dass ein aufwändiger Zwischenschritt im Herstellungsverfahren des Bauteils vorgesehen werden muss.
  • Erfindungsgemäß sollen die Vertiefungen der Vergröberung einen möglichst geringen Radius an ihrer Spitze aufweisen. Durch einen geringen Radius einer solchen Anrissspitze ist ein Risswachstum, insbesondere ein Polungsrisswachstum begünstigt. Ferner sollten erfindungsgemäß möglichst viele Vertiefungen innerhalb der Vergröberung vorgesehen sein, sodass nahezu an beliebigen Stellen Entlastungsrisse entstehen können.
  • Erfindungsgemäß sind die Vertiefungen innerhalb der Vergröberung zufällig bzw. statistisch verteilt, sodass sich je nach mechanischem Spannungszustand ein entsprechender Polungsriss an einem entsprechenden Anrissradius ausbilden kann. Solche Polungsrisse laufen, falls sie benachbart zu Innenelektroden liegen, in diese hinein und enden dort. Durch eine dichte und gleichmäßige Einbringung von Polungsrissen werden vor allem piezoelektrisch inaktive Bereiche des Bauteils entlastet, da keine Zugspannungen mehr vorliegen. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit stark, dass einer der Polungsrisse in den aktiven Bereich wächst und sich dort verzweigt.
  • Insbesondere durch die Vielzahl von unterschiedlichen Vertiefungen innerhalb der Vergröberung, die darüber hinaus statistisch verteilt sind (s. o.) – also jeweils eine unterschiedliche Eindringtiefe in das Bauteil aufweisen, sowie eine unterschiedliche Form bzw. einen unterschiedlichen Spitzenradius besitzen – ist gewährleistet, dass nahezu an jeder Stelle der Vergröberung je nach Ausbildung eines Spannungszustands bei der Polarisierung oder beim späteren Betrieb, ein entsprechender Risskeim vorhanden ist, der es ermöglicht, die lokalen Spannungen herabzusetzen. Dadurch, dass für jeden Spannungszustand in jeder unmittelbaren Umgebung entsprechende Risskeime vorliegen, bilden sich sofort Polungsrisse aus, die den internen Spannungszustand des Bauteils herabsetzen.
  • Ganz allgemein ist es sinnvoll, das Bauteil an denjenigen Bereichen, Abschnitten oder Stellen mit der erfindungsgemäßen Vergröberung zu versehen, an welchen in der Folgezeit (Polarisierung und späterer Betrieb) Polungsrisse bzw. Risshäufungen bei vorausgegangenen baugleichen Bauteilen auftraten. Dies gilt insbesondere in einem Außenbereich des Bauteils, in welchem Polungsrisse nach der Polarisierung auftreten. Häufig ist dies in sogenannten inaktiven Kontaktierungszonen bzw. den dehnungsinaktiven Bereichen eines Multilayer-Piezostacks der Fall. In diesen inaktiven Bereichen findet keine bzw. nur eine geringe piezoelektrische Dehnung des Stacks statt, wohingegen in den aktiven Bereichen des Stacks die erwünschten elektromechanischen Dehnungen des Bauteils auftreten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Vergröberung wenigstens teilweise entlang eines dehnungsinaktiven Bereichs des Bauteils, wobei die Vergröberung an einer entsprechenden Außenfläche oder Außenkante vorgesehen sein kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Vergröberung entlang einer Mehrzahl von inaktiven Bereichen. Durch die Dichte und gleichmäßige Einbringung von Polungsrissen aufgrund der Vertiefungen der Vergröberung werden die inaktiven Bereiche des Stacks entlastet, da kaum mehr Zugspannungen vorhanden sind.
  • Durch das Vorliegen der Risskeime aufgrund der Vergröberung wird eine vermehrte Entstehung von Polungsrissen, die von außen nach innen in das Bauteil laufen, durch das Vorliegen einer erhöhten Population von Anfangsdefekten (Risskeime bzw. Soll-Rissstellen) erleichtert. Dies setzt das Niveau des me chanischen Spannungsprofils in den inaktiven Bereichen, sowie in einem Übergangsbereich vom inaktiven zum aktiven Bereich nach der Polarisierung herab und somit wird auch eine Triebkraft zur Entstehung abgelenkter Polungsrisse in Längsrichtung des Stacks reduziert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich die Vergröberung entlang einer Außenlängskante des Multilayer-Piezostacks, welche benachbart zu einer Außenmetallisierung liegt. Bevorzugt sind je Stack diejenigen beiden Längskanten mit einer Vergröberung versehen, welche direkt parallel benachbart zu einer jeweiligen Außenmetallisierung liegen. Im Stand der Technik entstehen Polungsrisse bevorzugt an diesen den Außenmetallisierungen benachbarten Längskanten, wodurch durch das erfindungsgemäße Vorsehen der Vergröberung an diesen Kanten eine vermehrte Rissbildung stattfindet, wodurch wiederum die Wahrscheinlichkeit stark reduziert ist, dass einer der Polungsrisse in den aktiven Bereich läuft und sich dort verzweigt.
  • Alle vorgenannten Ausführungsformen realisieren einen wirksamen Schutz eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Bauteils, insbesondere eines monolithischen Multilayer-Piezostacks vor der Bildung von Y- und/oder Längsrissen. Die zur Realisierung der Erfindung notwendigen Arbeitsschritte sind einfach und ohne erheblichen Mehraufwand realisierbar, was Zeit und Kosten spart. Darüber hinaus sind diese Arbeitsschritte nicht grundsätzlich materialspezifisch, sodass die erfindungsgemäße Idee auf eine Vielzahl von Bauteilen anwendbar ist.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden Anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 einen monolithischen Multilayer-Piezostack in einer 3D-Ansicht;
  • 2 eine Teilseitenansicht des Multilayer-Piezostacks aus 1;
  • 3 einen erfindungsgemäßen monolithischen Multilayer-Piezostack in einer 3D-Ansicht; und
  • 4 eine Teilseitenansicht des erfindungsgemäßen Multilayer-Piezostacks aus 3.
  • Die Erfindung bezieht sich im Folgenden auf einen Multilayer-Piezostack bzw. einen monolithischen Vielschicht-Aktuator, wobei die Erfindung nicht darauf sein soll, sondern generell piezokeramische oder elektrostriktive Schichten, Stacks (auch mit nur einer einzigen Piezoschicht) oder Bauteile betrifft, bei welchen das Auftreten von Rissen, insbesondere das Auftreten von Polungsrissen beobachtet wird.
  • 1 zeigt einen Multilayer-Piezostack 1 mit einer Mehrzahl von Piezokeramikschichten 10, wobei der Einfachheit halber nur eine geringe Anzahl von Piezokeramikschichten 10 dargestellt sind. In einer herkömmlichen Ausführungsformen als Aktuator für einen Dieselinjektor weist ein solcher Multilayer-Piezostack 1 bis über 300 solcher Piezokeramikschichten 10 auf. Zwischen jeweils zwei direkt benachbarten Piezokeramikschichten 10 befindet sich jeweils eine Innenelektrode 20, wobei jede zweite Innenelektrode 20 mit einer Außenmetallisierungsbahn 40 in elektrischem Kontakt 42 ist (z. B. vorne rechts in der 1). Ebenso sind die anderen zweiten Innenelektroden 20 mittels einer zweiten Außenmetallisierungsbahn 40 ebenfalls elektrisch verbunden (im gewählten Beispiel hinten links in der 1). Damit eine Innenelektrode 20 nicht mit der falschen Außenmetallisierungsbahn 40 zufällig in elektrischen Kontakt gerät, sind die Innenelektroden 20 jeweils an der nicht betreffenden Außenmetallisierungsbahn 40 ausgenommen, wodurch sich im Multilayer-Piezostack 1 eine Vielzahl von inaktiven Kontaktierungszonen 30 bzw. inaktiven Bereichen 30 ausbildet. Die inaktiven Kontaktierungszonen 30 haben keinen Anteil an der piezoelektrischen Dehnung des Multilayer-Piezostacks 1, da in ihnen kein elektrisches Feld herrscht, mittels welchem die entsprechende Piezokeramikschicht 10 im Betrieb einer Dehnung unterworfen ist bzw. bei einer Polarisierung polarisiert wird. Die Kernbereiche der inaktiven Kontaktierungszonen 30 sind in 1 grau hinterlegt dargestellt.
  • Andere Ausführungsformen bzw. Positionen der inaktiven Kontaktierungszonen sind natürlich möglich. So gibt es Multilayer-Piezostacks mit innenliegenden Kontaktierungs-Metallisierungsbahnen, wobei die nicht betreffenden Innenelektroden ebenfalls ausgenommen sind. Ferner gibt es Ausführungsformen, bei welchen zwei direkt benachbarte Innenelektroden jeweils an zwei gegenüberliegende Außenflächen des Multilayer-Piezostacks herausgeführt sind. Eine entsprechende Außenmetallisierungsbahn kann hierbei z. B. eine vollständige Längsseite des Multilayer-Piezostacks bedecken.
  • Die Außenmetallisierungsbahnen 40 dienen der elektrischen Parallelschaltung der jeweiligen Innenelektroden 20, wodurch ein Dehnen des polarisierten Multilayer-Piezostacks 1 hervorgerufen wird. Eine solche Innenelektrodenanordnung wird auch als Interdigital-Elektrodenanordnung bezeichnet. Die Piezokeramikschichten 10 haben bevorzugt eine Dicke von ca. 20 bis über 100μm, wobei die im Siebdruckverfahren aufgebrachten Innenelektroden 20 eine Dicke von ca. 4 bis ca. 5μm aufweisen.
  • Im Bereich der inaktiven Kontaktierungszonen 30 entstehen bei der Polarisierung oder beim Betrieb des Multilayer-Piezostacks 1 in an sich bekannter Weise Spannungskonzentrationen, insbesondere Zugspannungen, die die Ursache für ein Risswachstum ist. Solche Risse, z. B. Polungsrisse, sind, solange sie senkrecht bezüglich einer Längsachse L des Multilayer-Piezostacks 1 verlaufen, unschädlich für den Betrieb des Multilayer-Piezostacks 1. Verzweigen sich solche Risse jedoch, kann dies zu einem teilweisen bzw. vollständigem Ausfall des Multilayer-Piezostacks 1 führen, da z. B. durch einen Riss in Längsrichtung L des Multilayer-Piezostacks 1 zwei direkt benachbarte Innenelektroden 20 elektrisch verbunden werden, sodass sich zwischen diesen Innenelektroden 20 kein elektrisches Feld mehr ausbilden kann und die entsprechende Piezoschicht 10 im Stack 1 keinen Anteil mehr an der Dehnung des Stacks 1 hat.
  • 2 zeigt solche von außen nach innen in den Multilayer-Piezostack 1 hineinlaufenden Risse 50, 55, wobei die Risse 50 Polungsrisse sind, die aufgrund der Polarisierung im Multilayer-Piezostack 1 entstanden sind, und die Risse 55 andere Risse sind, die z. B. aufgrund des Betriebs des Multilayer-Piezostacks 1 entstehen. Aufgrund eines nahezu gleichen Reißwiderstands parallel und senkrecht zu den Innenelektroden 20 innerhalb des Keramikmaterials des Multilayer-Piezostacks 1, können sich die an sich unschädlichen Risse 50, 55 (senkrechte Komponente zur Längsrichtung L des Multilayer-Piezostacks 1) aufspalten (Y-Riss) oder abknicken (L-Form) und in die aktiven Bereiche weiter wachsen. Dies ist in 2 mit Verzweigungen 52 der Polungsrisse 50 dargestellt. Der Polungsriss 50 erweitert sich hierbei in Form eines Y und erhält eine wesentliche senkrechte Komponente bezüglich der Innenelektroden 20.
  • Die 3 und 4 zeigen nun, wie einer solchen Aufspaltung von Rissen 50, 55 begegnet werden kann, wobei 3 im Gegensatz zur 1 der Übersicht halber nur noch zwei Innenelektroden 20 in einer dreidimensionalen Ansicht zeigt, während die anderen Innenelektroden 20 nur noch an ihren sichtbaren Außenseiten in der 3 zu erkennen sind. Die dreidimensional dargestellten Innenelektroden 20 befinden sich hierbei jeweils benachbart zur Ober- bzw. Unterseite des Multilayer-Piezostacks 1.
  • Bei einer Ausführungsform des Multilayer-Piezostacks 1 mit zu Außenlängskanten 60 parallel benachbarten Außenmetallisierungsbahnen 40 entstehen die Polungsrisse 50 bevorzugt an der Außenlängskante 60 und laufen nach innen in den Multilayer-Piezostack 1 hinein. Ist die Oberfläche der Außenlängskante 60 glatt und/oder die Bruchfestigkeit des verwendeten Piezokeramik-Materials 10 hoch, so entstehen bei der Polarisierung des Multilayer-Piezostacks 1 nur wenige, vergleichsweise große Risse, wodurch die mechanischen Spannungen innerhalb des Multilayer-Piezostacks 1 nicht genügend abgebaut werden können und sich die Risse 50, 55 in Längsrichtung L des Stacks 1 verzweigen können.
  • Erfindungsgemäß wird dem dadurch begegnet, dass an einer Außenseite des Multilayer-Piezostacks 1 Risskeime vorgesehen sind. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die beiden Außenlängskanten 60, welche direkt benachbart zu den beiden Außenmetallisierungsbahnen 40 liegen, aufgeraut bzw. vergröbert, sodass aufgrund von Vertiefungen 82 (s. 4) der Vergröberung 80 Risskeime zur Verfügung stehen, an welchen Polungsrisse 50 bzw. Risse 55 entstehen können. Dadurch, dass eine Vielzahl von Vertiefungen 82 zur Rissbildung zur Verfügung steht, erreicht man einen internen Spannungsabbau des Multilayer-Piezostacks 1 durch eine Vielzahl von kleinen Polungsrissen 50 bzw. Rissen 55. Hierdurch ist ein Spannungsabbau durch ein Aufspalten (s. 2) oder Abknicken der Risse 50, 55 in Längsrichtung L des Stacks 1 nicht mehr notwendig, da durch eine Vielzahl vorliegender Risse 50, 55 die Spannungen im Multilayer-Piezostack 1 schon abgebaut sind. Eine Vergröberung 80 im Sinne der Erfindung ist eine gezielte Oberflächenbehandlung bevorzugt nach dem Sintern und vor der Polarisierung des Multilayer-Piezostacks 1. Hierbei wird die Oberfläche „rauer" gemacht als sie vorher war. Somit entstehen am Multilayer-Piezostack 1 Bereiche mit einer größeren Rautiefe R als an anderen Bereichen des Multilayer-Piezostacks 1, insbesondere als an direkt benachbarten Bereichen. Bevorzugt weisen die mit Vergröberungen 80 versehenen Kanten 60 bzw. Seitenflächen 70 eine Rautiefe R auf, die sonst nirgends am Multilayer-Piezostack 1 vorgesehen ist. D. h., bevorzugt ist die Rautiefe R der von der aufgerauten Kante 60 und/oder der aufgerauten Fläche 70 gebildeten Vergröberung 80 größer, als in allen Bereichen des Multilayer-Piezostacks 1, an welchen keine Vergröberungen 80 vorgesehen sind.
  • Eine entstehende mittlere Rautiefe Rz nach DIN 4768 ist ein Maß für die Rauheit der neu entstehenden Stackoberfläche. Diese mittlere Rautiefe Rz ist wenigstens um den Faktor 2-3 bis maximal um den Faktor 500 rauer als im Stand der Technik. Bevorzugt bei den Multilayer-Piezostacks 1 sind Faktoren von 10-100. Dies hängt hauptsächlich – neben der Häufigkeit von Polungsrissen bei unvergröberten Stacks 1 – von der Schichtdicke der einzelnen Piezoschichten 10 ab. Die erfindungsgemäßen Faktoren von 10-100 eignen sich gut für Schichtdicken 10 im Bereich von 80-120μm. Die Absolutwerte der mittleren Rautiefe Rz bewegen sich zwischen 3 und 500μm. Bevorzugt bei den Multilayer-Piezostacks 1 sind 8-135μm, wobei die kleineren Rautiefen Rz von 10-50±5μm innerhalb dieses Bereichs insbesondere bevorzugt sind.
  • Andere Positionen der Vergröberung 80 sind natürlich möglich, wobei generell gilt, dass rissbildende Vergröberungen 80 bevorzugt an denjenigen Punkten, Stellen, Bereichen und/oder Abschnitten des Multilayer-Piezostacks 1 vorgesehen sein sollten, an welchen in einem nachfolgenden Polarisationsprozess bzw. einem späteren Betrieb des Multilayer-Piezostacks 1 Polungsrisse 50 bzw. Risse 55 auftreten. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere dann vorgesehen, wenn die entsprechenden Risse 50, 55 dazu neigen, senkrecht bezüglich der Innenelektroden 20 abzuknicken bzw. sich in Längsrichtung L des Multilayer-Piezostacks 1 zu verzweigen. Ferner kann es notwendig sein, den Multilayer-Piezostack 1 zusätzlich mit Vergröberungen 80 zu versehen, da ein baugleiches Vorgängermo dell Risse 50, 55 zeigte, die an Stellen entstanden, an welchen keine erfindungsgemäße Vergröberung 80 vorgesehen war.
  • Im Allgemeinen bilden sich Risse 55 bzw. Polungsrisse 50 in den inaktiven Kontaktierungszonen 30 bzw. den inaktiven Bereichen 30 des Multilayer-Piezostacks 1, sowie an Orten, an welchen interne mechanische Spannungen vorliegen. Daher ist es beispielsweise erfindungsgemäß möglich, eine Vergröberung 80 außen entlang der inaktiven Bereiche 30 in Längsrichtung L des Multilayer-Piezostacks 1 vorzusehen. Bevorzugt erstreckt sich eine solche Vergröberung 80 über alle inaktiven Bereiche 30 einer Seite des Multilayer-Piezostacks 1 hinweg. Ferner können Vergröberungen 80 wenigstens teilweise auch an aktiven Bereichen vorgesehen sein, was jedoch unproblematisch ist, da Querrisse 50, 55 in diesen Bereichen die Funktionstüchtigkeit des Multilayer-Piezostacks 1 einerseits nicht beeinträchtigen bzw. die Querrisse 50, 55 wegen der erfindungsgemäßen Entlastung an anderen Bereichen des Multilayer-Piezostacks 1 nicht zum Verzweigen neigen.
  • Darüber hinaus ist es möglich, entsprechende Vergröberungen 80 innerhalb des Multilayer-Piezostacks 1 vorzusehen, indem beispielsweise entsprechende Bohrungen in Längs-, Quer- oder Diagonalrichtung in den Multilayer-Piezostack 1 eingebracht sind. Diese Bohrungen weisen eine entsprechend raue Oberfläche auf, die es erlaubt, an entsprechenden Vertiefungen 82 der Bohrungen Risse 55 bzw. Polungsrisse 50 entstehen zu lassen. Solche Bohrungen können z. B. mittels eines Bohrers oder eines Lasers hergestellt werden, bzw. von vornherein im Stack 1 vorgesehen sein. Diese Bohrungen können Sackloch- oder auch Durchgangsbohrungen sein.
  • 4 zeigt den Multilayer-Piezostack 1 in einer im Vergleich zur 3 vergrößerten Seitenansicht, wobei rechts die Vergröberung 80 an einer Seite 70 bzw. Außenfläche 70 oder einer Kante 60 bzw. Außenkante 60 vorgesehen ist. Wie in 4 dargestellt ist, bilden sich die Polungsrisse 50 an den Spitzen von Vertiefungen 82 und wandern von außen in den Multilayer-Piezostack 1 hinein, wobei sie bei Kontakt mit einer Innenelektrode 20 in ihrem Wachstum gestoppt werden. Die Risse 50,55 entstehen bevorzugt an Vertiefungen 82 mit möglichst geringem Spitzenradius (oben in der 4) bzw. an den Stellen innerhalb des Stacks 1, an denen die lokalen mechanischen Spannungen groß genug sind, eine weit nach innen reichende vergleichsweise große Vertiefung 82 mit großem Spitzenradius an ihrer Spitze aufzuweiten (unten in der 4).
  • Wie schon in der 3 zu sehen, erstreckt sich die Vergröberung 80 entlang derjenigen Seite 70 bzw. derjenigen Kante 60 des Multilayer-Piezostacks 1, welche benachbart zu den inaktiven Bereichen 30 liegt.

Claims (28)

  1. Piezoelektrischer oder elektrostriktiver Stack, insbesondere Multilayer-Piezostack (1), wobei der Stack (1) zur Erhöhung der Anzahl der Polungsrisse (50) eine wenigstens abschnittsweise aufgeraute Kante (60) und/oder eine wenigstens bereichsweise aufgeraute Fläche (70) aufweist, wobei eine Rautiefe (R) dieser von der aufgerauten Kante (60) und/oder der aufgerauten Fläche (70) gebildeten Vergröberung (80) größer ist, als in direkt benachbarten Bereichen des Stacks (1).
  2. Stack gemäß Anspruch 1, wobei eine mittlere Rautiefe (Rz) der Vergröberung (80) des Stacks (1) größer ist, als die mittlere Rautiefe (Rz) des Stacks (1); insbesondere als die mittlere Rautiefe (Rz) derjenigen Bereiche des Stacks (1), an welchen keine Vergröberungen (80) vorgesehen sind.
  3. Stack gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die mittlere Rautiefe (Rz) der Vergröberung (80) des Stacks (1) um den Faktor 2-4, vorzugsweise um den Faktor 5-10, bevorzugt um den Faktor 12-20, insbesondere um den Faktor 25-40, besonders bevorzugt um den Faktor 50-75, insbesondere bevorzugt um den Faktor 90-120 und insbesondere besonders bevorzugt um den Faktor 150-200 größer ist, als die mittlere Rautiefe (Rz) in denjenigen Bereichen des Stacks (1), an welchen keine Vergröberungen (80) vorgesehen sind.
  4. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mittlere Rautiefe (Rz) der Vergröberung (80) des Stacks (1) 5-500μm, vorzugsweise 10-100μm, bevorzugt 15-110μm, insbesondere 20-125μm, besonders bevorzugt 25-150μm, insbesondere bevorzugt 30-200μm und insbesondere besonders bevorzugt 40-300μm beträgt.
  5. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vertiefungen (82) der Vergröberung (80) einen geringen Radius an ihrer Spitze aufweisen, der kleiner als 250μm, vorzugsweise kleiner als 100μm, bevorzugt kleiner als 75μm, insbesondere kleiner als 50μm, besonders bevorzugt kleiner als 40μm, insbesondere bevorzugt kleiner als 30μm ist und insbesondere besonders bevorzugt 5-25μm beträgt.
  6. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vergröberung (80) eine mikroskopische oder makroskopische Struktur ist, deren Vertiefungen (82) Kerben, Riefen, Kratzer, Poren und/oder Anrisse sind.
  7. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vergröberung (80) eine Riffelung mit regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Vertiefungen (82) ist.
  8. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vergröberung (80) Ausnehmungen aufweist.
  9. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vertiefungen (82) der Vergröberung (80) statistisch verteilt und bevorzugt möglichst zahlreich sind.
  10. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vergröberung (80) an einer Außenseite (70) oder an einer Außenkante (60) am Stack (1) vorgesehen ist, welche im Betrieb des Stacks (1) einen weitgehend dehnungsinaktiven Bereich (30) des Stacks (1) begrenzt.
  11. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vergröberung (80) sich entlang eines oder mehrerer dehnungsinaktiven Bereiche (30) erstreckt.
  12. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vergröberung (80) sich entlang dehnungsaktiver Bereiche erstreckt.
  13. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vergröberung (80) benachbart, bevorzugt direkt benachbart, zu einer Außenmetallisierung (40) liegt, die Innenelektroden (20) des Stacks (1) mit gleichem elektrischen Potential verbindet.
  14. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Vergröberung (80) entlang einer Außenlängskante (60) des Stacks (1) vorgesehen ist und sich bevorzugt im Wesentlichen über die gesamte Länge der Außenlängskante (60) hinweg erstreckt.
  15. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei am Stack (1) zwei einander gegenüberliegende, bevorzugt zwei einander diagonal bzw. diametral gegenüberliegende, Vergröberungen (80) vorgesehen sind.
  16. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Vergröberung (80) an denjenigen Stellen bzw. Abschnitten am Stack (1) vorgesehen ist, an welchen bei einer zeitlich nachfolgenden Polarisierung erfahrungsgemäß Polungsrisse (50) bzw. bei einem späteren Betrieb des Stacks (1) erfahrungsgemäß Risse (50) entstehen.
  17. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei rissverursachende Vertiefungen (82) der Vergröberung (80) an denjenigen Stellen am Stack (1) vorgesehen sind, welche direkt benachbart zu denjenigen Innenelektroden (20) liegen, die einen inaktiven Bereich (30) des Stacks (1) in Längsrichtung (L) begrenzen.
  18. Stack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Vergröberung (80) innerhalb des Stacks (1) vorgesehen ist.
  19. Aktuator mit einem Stack (1), insbesondere mit einem monolithischen Multilayer-Piezostack (1), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18.
  20. Kraftstoffinjektor, insbesondere Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit einem Aktuator gemäß Anspruch 19.
  21. Verfahren zum Erhöhen einer Lebensdauer eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Stacks (1), wobei der Stack (1) zur Erhöhung der Anzahl der Polungsrisse (50) an einer Kante (60) und/oder an einer Fläche (70), einer Oberflächenbehandlung unterzogen wird, die die Oberfläche wenigstens an einem Abschnitt der Kante (60) bzw. wenigstens in einem Bereich der Fläche (70) rauer macht.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Oberflächenbehandlung zeitlich vor einer Polarisierung des Stacks (1) erfolgt.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei die Oberflächenbehandlung zeitlich vor einem Bonden weiterkontaktierender Kontaktdrähte und/oder zeitlich vor einem Einbrand einer Außenmetallisierungsbahn (40) erfolgt.
  24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Oberflächenbehandlung an denjenigen Bereichen bzw. Abschnitten am Stack (1) vorgesehen wird, an welchen bei einer zeitlich nachfolgenden Polarisierung erfahrungsgemäß Polungsrisse (50) bzw. bei einem späteren Betrieb des Stacks (1) erfahrungsgemäß Risse (50) entstehen.
  25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die Oberflächenbehandlung an einem Volumenbereich einer inaktiven Kontaktierungszone (30) des Stacks (1) vorgenommen wird.
  26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei die Oberflächenbehandlung an einer Außenlängskante (60) des Stacks (1) erfolgt, die bevorzugt direkt benachbart zu einer Außenmetallisierung (40) liegt, die Innenelektroden (20) des Stacks (1) mit gleichem elektrischen Potential verbindet.
  27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei die Oberflächenbehandlung des Stacks (1) mittels einer Schleifscheibe, insbesondere einer groben Schleifscheibe, oder mittels einer Profilschleifscheibe erfolgt.
  28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei die Oberflächenbehandlung innerhalb des Stacks (1) mittels eines Bohrers oder mittels eines Lasers erfolgt.
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