-
Es
wird ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit einer risshemmenden
Schicht beschrieben.
-
Aus
DE 103 07 825 A1 ist
ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit mehreren Sollbruchschichten
bekannt.
-
Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, ein piezoelektrisches
Vielschichtbauelement anzugeben, welches über einen längeren
Zeitraum unter mechanischer Belastung funktionstüchtig
bleibt.
-
Es
wird ein erstes piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit einem
Stapel von übereinander angeordneten piezokeramischen Schichten
und Elektrodenschichten angegeben. Der Stapel weist mehrere unter
stirnseitiger Einspannung in mehrere Bruchstücke zerdrückbare
Schichten auf, mittels derer der Stapel in mehrere Teilstapel unterteilt
wird.
-
Mit
dem Begriff „stirnseitiger Einspannung" wird die mechanische
Krafteinwirkung auf die bezogen auf die Längsachse des
Stapels (Stapelrichtung) vorhandenen Stirnseiten bzw. Stirnflächen
des Stapels verstanden.
-
Mit
dem Begriff „zerdrückbar" wird jede Komprimierbarkeit
einer Festkörperstruktur in kleinere Einzelstücke
verstanden.
-
Die
zerdrückbaren Schichten enthalten jeweils eine zerdrückbare
Struktur, wobei es günstig ist, wenn diese keramisches
Material enthält bzw. aus ihr besteht.
-
Die
zerdrückbare Struktur einer entsprechend zerdrückbaren
Schicht ist leichter zerdrückbar, als jene Struktur bzw.
Strukturen, die in anderen piezoelektrischen Schichten des Vielschichtbauelements
enthalten sind. Dabei wird bevorzugt, dass die zerdrückbare
Struktur bzw. die zerdrückbare Schicht ab einer stirnseitigen
Krafteinwirkung auf den Stapel von 13 MPa in Bruchstücke
zerdrückbar ist.
-
Gemäß einer
Ausführungsform ist die zerdrückbare Struktur
wellenförmig. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine
wellenförmige Folie, die ein keramisches Material enthalten
könnte. Anstelle einer wellenförmigen Struktur
könnte jedoch eine andere als Folie ausgeführte
Struktur verwendet werden, welche ein oder mehrere Einbuchtungen
aufweist bzw. zumindest in einem Bereich eine abwechselnde Struktur
aufweist. Dabei könnte es sich um einen Abschnitt der Folie
mit zumindest einer abgerundeten oder eckigen Kurve handeln.
-
Die
wellenförmige Struktur kann ein beliebiges keramisches
Material enthalten, beispielsweise also ein piezokeramisches Material.
Sie kann jedoch andere Materialien enthalten bzw. aus anderen Materialien
bestehen, insbesondere aus solchen, welche ihre Raumtemperatursstruktur
während des Sinterns des Vielschichtbauelements zumindest
weitgehend beibehalten.
-
Die
Wellen die wellenförmigen Struktur bzw. Folie können
in jede beliebige Richtung parallel zu den piezokeramischen Schichten
verlaufen.
-
Zwischen
der wellenförmigen Struktur, nachfolgend auch als Wellenstruktur
bezeichnet, und einer in Stapelrichtung benachbarten piezokeramischen
Schicht sind vorzugsweise Hohlräume vorhanden, die der
stirnseitigen Einspannung keinen Widerstand leisten und somit das
Zerbröseln der Wellenstruktur bei stirnseitiger Einspannung
des Stapels begünstigen.
-
Mit
den zerdrückbaren Schichten wird der Stapel in mehrere
Teilstapel unterteilt, wobei die Schicht eines jeden Teilstapels,
die an einen benachbarten Teilstapel angrenzt, eine zerdrückbar
Schicht ist. Jeder Teilstapel wird also ober- und/oder unterseitig
mit einer zerdrückbaren Schicht der beschriebenen Art ausgeführt.
Mehrere übereinander angeordnete Teilstapel bilden einen
Stapel des ersten piezoelektrischen Vielschichtbauelements.
-
Gemäß einer
Ausführungsform sind mehrere, beispielsweise also zwei,
zerdrückbare Schichten übereinander gestapelt.
Wenn es sich bei den in den zerdrückbaren Schichten enthaltenen
zerdrückbaren Strukturen um eine wellenförmige
Folie handelt, so wird bevorzugt, dass die Wendepunkte der Wellen der
Folien um 90 Grad zueinander versetzt sind. Beispielsweise könnte
also der Tiefpunkt einer Welle einer oberen wellenförmigen
Folie direkt auf der Spitze einer Welle einer unteren wellenförmigen
Folie liegen. Ein solcher Aufbau könnte mit mehreren derartigen
Folien wiederholt werden.
-
Das
erste piezoelektrische Vielschichtbauelement kann als Zwischenprodukt
betrachtet werden, welches vorteilhafterweise an einen Kunden geliefert werden
kann, der das Vielschichtbauelement in einem Modul, beispielsweise
in einem Einspritzmodul für Kraftstoff, stirnseitig einspannt.
Dies könnte zwischen zwei mechanischen Lagern bzw. zwischen
einem Lager und seinem Gegenlager erfolgen.
-
Die
stirnseitige Einspannung kann mittels eines Vorspannelements erfolgen,
wie beispielsweise mittels einer Rohrfeder. Diese klemmt das Vielschichtbauelement
vorzugsweise stirnseitig ein. Das Vorspannelement ist gemäß einer
Ausführungsform elektrisch leitend und kontaktiert die
Elektrodenschichten. Somit kann es zumindest für einen
Satz von gleich gepolten Elektrodenschichten als elektrischer Anschluss
dienen.
-
Gemäß einer
Ausführungsform des als Zwischenprodukt dienenden ersten
Vielschichtbauelements sind die Vertiefungen der wellenförmigen Struktur
mit einem Füllmaterial gefüllt, das während einer
Temperaturbehandlung entfernbar ist. Dabei kann es sich um ein organisches
Material handeln, das während eines Entbinderungsprozesses
des Vielschichtbauelements verflüchtigt. Die Vertiefungen
der wellenförmigen Struktur bilden nach der Entfernung
des Füllmaterials Hohlräume.
-
Für
die wellenförmige Struktur kommen kurvige sowie eckige
Wellen in Betracht. Die Vertiefungen der Wellen können
beispielsweise parabolische Formen aufweisen.
-
Die
wellenförmige Struktur ist vorzugsweise derart beschaffen,
dass sie bis zur stirnseitigen Einspannung des Vielschichtbauelements
nicht einknickt bzw. eine ein Einknicken vermeidende Festigkeit
bzw. Elastizität aufweist. Dabei soll sie verschiedene
Temperaturbehandlungen, beispielsweise ein Sintern des Vielschichtbauelements,
schadlos überstehen.
-
Bei
der stirnseitigen Einspannung dieses Zwischenprodukts brechen die
zerdrückbaren Strukturen, beispielsweise also die wellenförmigen
Strukturen, der entsprechenden Schichten in mehrere Bruchstücke
auseinander. Somit wird ein weiteres Vielschichtbauelement geschaffen,
das als Endprodukt bezeichnet werden kann und seine Funktion als Piezoaktor
aufnimmt.
-
Die
zerdrückbaren Schichten werden durch eine stirnseitige
Einspannung des Stapels in Schichten verwandelt, die die Ausbreitung
von durch mechanische Spannungen oder Schwingungen verursachten
Rissen jenseits der jeweiligen Teilstapel verhindern bzw. aufhalten.
Das geschieht dadurch, dass die zerdrückten Schichten mit
Bruchstücken weiterhin Hohlräume enthalten, die
die Ausbreitung von Rissen aus den Teilstapeln hinaus in benachbarte Teilstapeln
nicht erlauben. Die zerdrückten Schichten weisen also keine
zusammenhängende Struktur auf, durch die sich ein Riss
ausbreiten kann. Solche Schichten können daher auch als
Fangschichten bezeichnet werden.
-
Bei
den mechanischen Spannungen bzw. Schwingungen handelt es sich insbesondere
um solche, die auf das weitere, als Endprodukt verwendbare Vielschichtbauelement
einwirken, insbesondere während seines Betriebs.
-
Beispielsweise
können die mechanischen Spannungen durch die Polarisierung
des weiteren Vielschichtbauelements und/oder durch seine Auslenkungen
während seines Betriebs entstehen. Andere Ursachen der
genannten mechanischen Spannungen können auf Temperaturschwankungen
sowie von außen einwirkenden Kräften zurückgeführt
werden.
-
Einerseits
wird das weitere Vielschichtbauelement während seines Betriebs
mechanischen Belastungen bzw. Schwingungen ausgesetzt, wobei der mechanische
Druck auf das Vielschichtbauelement durch die Ausbreitung eines
Risses innerhalb eines Teilstapels kompensiert wird. Somit ist es
sehr unwahrscheinlich, dass weitere Risse in anderen Bereichen,
also in anderen Teilstapeln des weiteren Vielschichtbauelements,
entstehen.
-
Andererseits
wird das weitere Vielschichtbauelement bereits bei der Entstehung
der zerdrückten Schichten mechanisch vorentlastet, dass
vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit steigt, dass sich überhaupt
keine Risse mehr im Betrieb des weiteren Vielschichtbauelements
bilden.
-
Auch
wenn mehrere Teilstapel von Rissbildung betroffen wären,
genügt es zur Einhaltung der Funktionstüchtigkeit
des weiteren Vielschichtbauelements, wenn die überwiegende
Mehrzahl von piezokeramischen Schichten bzw. Elektrodenschichten von
Rissbildung unbetroffen bleiben. Vorteilhafterweise wird so eine
unkontrollierte Rissbildung durch das gesamte Vielschichtbauelement
vermieden.
-
Es
wird ein Verfahren zur Herstellung des ersten piezoelektrischen
Vielschichtbauelements angegeben. Dabei werden piezokeramische Grünfolien mit
Elektrodenmaterial bedruckt, sodass Elektrodenschichten auf den
Grünfolien entstehen. Danach werden die Grünfolien
zurechtgeschnitten und zu einem Stapel aus piezokeramischen Schichten
und Elektrodenschichten übereinander gestapelt.
-
Zumindest
eine Folie wird nicht mit einer Elektrodenschicht versehen. Diese
wird in eine Wellenform verformt. Das Verformen kann mittels Werkzeuge
erfolgen, welche Vertiefungen in die Folie drücken. Die
Folie könnte zusätzlich oder alternativ auf eine
Ablagefläche, Ablageform oder in eine Gussform gelegt werden,
welche wellenförmige Vertiefungen aufweist. Die sich in
der mit Vertiefungen versehene Form befindliche Folie kann anschließend
mittels einer Druck- und/oder Temperaturbehandlung in eine gewellte
Form bzw. in eine Stützstruktur mit einer gewellten Form
verformt werden.
-
Die
Folie kann einen Binder enthalten oder temperaturbehandelt werden,
sodass sie ihre Wellenform zunächst beibehält.
Hierzu ist es günstig, wenn die gewellte Folie beispielsweise
anhand einer Temperaturbehandlung ausreichend aushärtet.
-
Die
Vertiefungen der gewellten Folie werden anschließend mit
einem Füllmaterial, beispielsweise mit einem organischen
oder wässrigen Binder, gefüllt.
-
Gemäß einer
Ausführungsform können eine oder mehrere Folien
ober- und unterseitig mit dem Füllmaterial versehen werden.
Nachdem sie trocknen konnten, können sie abwechselnd mit
unverformten keramischen Grünfolien zu einem Teilstapel oder
zu einem ganzen Stapel des Vielschichtbauelements verstapelt werden.
-
Das
erste Vielschichtbauelement, welches gemäß einer
Ausführungsform eine Schicht mit einer mit einem Füllmaterial
versehenen gewellten Struktur aufweist, kann temperaturbehandelt
werden. Mittels der Temperaturbehandlung wird das Füllmaterial
aus den Vertiefungen der gewellten Struktur entfernt, sodass an
dessen Stelle ein oder mehrere Hohlräume entstehen. Die
Grenzen der Hohlräume werden dabei durch die verbleibende
gewellte Struktur sowie durch piezokeramische Schichten, die der
wellenförmigen Struktur benachbart sind, gebildet.
-
Gemäß einer
Ausführungsform der Herstellung des ersten Vielschichtbauelements
kann das in den Vertiefungen der Wellenform der Struktur enthaltene
Füllmaterial gleichzeitig mit gegebenenfalls in den umliegenden
keramischen Schichten enthaltendem Bindemittel entfernt werden.
Alternativ kann das Füllmaterial und das in keramischen
Schichten enthaltende Bindemittel in separaten Schritten, beispielsweise
bei unterschiedlichen Temperaturen bzw. Temperaturverläufen,
entfernt werden.
-
Nach
dem Entfernen des Füllmaterials kann das erste piezoelektrische
Vielschichtbauelement gesintert werden.
-
Zur
Herstellung des zweiten piezoelektrischen Vielschichtbauelements
knickt die wellenförmige Struktur einer Deck- oder Bodenschicht
eines Teilstapels des ersten Vielschichtbauelements während
seiner stirnseitigen Einspannung an mehreren Stellen ein und bildet
dabei Bruchstücke, die eine Fangschicht für Risse
des zweiten Vielschichtbauelements ausbilden, das als Piezoaktor
in Betrieb genommen werden kann. Die Fangschicht kann nach dem Einknicken
der gewellten Struktur verbleibende Hohlräume aufweisen,
in denen die Bruchstücke angeordnet sind.
-
Die
Bruchstücke können nach einer Ausführungsform
des weiteren Vielschichtbauelements schalenförmig sein.
Das könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, dass
eine Stelle einer wellenförmigen Struktur einer zerdrückbaren Schicht
zwischen zwei Wendepunkten ihres zumindest einen gewellten Bereiches
bricht. Dabei ist die wellenförmige Folie bzw. die zerdrückbare
Struktur vorzugsweise derart beschaffen, dass sie zwischen den genannten Wendepunkten
beim stirnseitigen Verpressen des Vielschichtbauelements die größte
mechanische Spannung und/oder die schwächste Materialbeschaffenheit
aufweist.
-
Die
beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele
und Figuren näher erläutert. Dabei zeigt bzw.
zeigen:
-
1 eine
gewellte keramische Folie,
-
2 eine
gewellte keramische Folie, deren Vertiefungen mit einem Füllstoff
gefüllt sind,
-
3 einen
Teil eines Stapels umfassend eine temporäre Schicht mit
einem Füllmaterial zwischen zwei piezokeramischen Schichten,
-
4 einen
Teil eines Stapels umfassend eine zerdrückbare Schicht
mit Hohlräumen zwischen zwei piezokeramischen Schichten,
-
5 ein
erstes piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit zerdrückbaren
Schichten,
-
6 einen
Teil eines Stapels umfassend zerdrückte Schichten mit Bruchstücken,
-
7 ein
weiteres piezoelektrisches Vielschichtbauelement zerdrückten
Schichten.
-
1 zeigt
eine wellenförmige keramische Folie 5. Die Folie
kann ein beliebiges keramisches oder anderes Material, beispielsweise
Kunststoff, sowie ein Bindemittel zur besseren Handhabbarkeit enthalten.
-
2 zeigt
die wellenförmige keramische Folie 5 der vorhergehenden
Figur, in deren Vertiefungen ein Füllmaterial 6 enthalten
ist. Bei diesem Füllmaterial kann es sich um einen organischen
Binder handeln, der bei einer Temperaturbehandlung verflüchtigen
bzw. entfernt werden kann. Somit wird eine temporäre Schicht 4a geschaffen,
die aufgrund des Füllmaterials beim Verstapeln mit anderen
piezokeramischen Schichten 2 leicht zu handhaben ist.
-
3 zeigt
die temporäre Schicht 4a gemäß 2 welche
zwischen zwei piezokeramischen Schichten 2 eines Teils
eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements bzw. eines Stapels 1 angeordnet ist.
-
4 zeigt
eine zerdrückbare Schicht 4b, die zwischen zwei
piezokeramischen Folien angeordnet ist. Die zerdrückbare
Schicht 4b unterscheidet sich von der temporären
Schicht 4a dadurch, dass bei ihr das Füllmaterial 6 mittels
einer Temperaturbehandlung entfernt wurde. Dieses könnte
beispielsweise während des Sinterns oder während
eines Entbinderungsprozesses des Stapels, dessen eine Schicht sie
bildet, erfolgen.
-
Dort
wo die Vertiefungen der wellenförmigen keramischen Folie 5 mit
einem Füllmaterial 6 gefüllt waren, sind
nun Hohlräume 7 hinterlassen. Später
erleichtern die Hohlräume das Einknicken der wellenförmigen
Folie 5 wenn das Vielschichtbauelement stirnseitig eingespannt
bzw. eingeklemmt wird.
-
5 zeigt
ein erstes piezoelektrisches Vielschichtbauelement als Zwischenprodukt.
Dabei weist es einen Stapel 1 von abwechselnd übereinander
angeordneten piezokeramischen Schichten 2 und Elektrodenschichten 3 auf.
Die Deck- oder Bodenschicht eines jeden Teilstapels 1a,
der eine Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen Schichten 2 und
Elektrodenschichten 3 aufweist, ist durch eine zerdrückbare Schicht 4b gebildet,
welche derjenigen der 4 entspricht. Dieses Zwischenprodukt
kann einem Kunden ausgeliefert werden, der es in ein Modul bzw.
mittels eines Vorspannelements einspannt und dabei die gewellte
Folien 5 der zerdrückbaren Schichten 4b einknicken.
-
6 zeigt
eine zerdrückte Schicht 4c welche zwischen zwei
piezokeramischen Schichten 2 eines Teils eines weiteren
piezoelektrischen Vielschichtbauelements angeordnet ist. Die zerdrückte Schicht 4c enthält
Brückstücke 8 der ursprünglich durchgehend
gewellten Folie 5 der zerdrückbaren Schicht 4b bzw.
der temporären Schicht 4a. Die zerdrückte
Schicht 4c umfasst also eine gebrochene Struktur. Die Bruchstücke 8 sind
ein Erzeugnis der stirnseitigen Einspannung des ersten Vielschichtbauelements
zwischen zwei Lagern bzw. Gegenlagern, welche beispielsweise Bestandteile
eines Piezoaktormoduls sein könnten. Es kann beispielsweise
ein Druck von über 13 MPa, vorzugsweise über 15
MPa, angewendet werden, um die zerdrückbaren Schichten 4b zu
zerdrücken und die Bruchstücke 8 bzw.
die gebrochene Struktur der zerdrückten Schicht 4c zu erzeugen.
-
7 zeigt
ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement als Endprodukt, welches
seine Funktion als Piezoaktor aufnehmen kann bzw. mit dieser Funktion
in Betrieb genommen wird. Das Endprodukt ist ein Beispiel eines
bereits genannten weiteren Vielschichtbauelements.
-
Das
piezoelektrische Vielschichtbauelement weist einen Stapel 1 von
abwechselnd übereinander angeordneten piezokeramischen
Schichten 2 und Elektrodenschichten 3 auf. Die
Deck- oder Bodenschicht eines jeden Teilstapels 1b, der
eine Mehrzahl von gestapelten piezoelektrischen Schichten 2 und Elektrodenschichten 3 aufweist,
ist durch eine zerdrückte Schicht 4c gebildet,
welche derjenigen der 6 entspricht. Dieses Vielschichtbauelement kann
als Piezoaktor dienen, welches Zugspannungen über die zerdrückten
Schichten 4c bzw. Fangschichten 4c aufnimmt die
Ausbreitung von Rissen in andere Bereiche, insbesondere in weitere
Teilstapel 1b des Vielschichtbauelements, verhindert. Somit treten
während des Betriebs des Piezoaktors keine Risse auf, die
beispielsweise zu Kurzschlüssen zwischen unterschiedlich
gepolten Elektrodenschichten 3 führen könnten.
-
Das
piezoelektrische Vielschichtbauelement kann als Zwischenprodukt
bzw. als erstes Vielschichtbauelement und auch als Endprodukt bzw.
als zweites Vielschichtbauelement mit Außenkontakten (nicht
gezeigt) versehen werden, welche jeweils als Schichten auf eine
Seitenfläche des Stapels 1 aufgebracht werden
können und die Elektrodenschichten 3 elektrisch
kontaktieren. Andere Kontaktierungsmittel sind denkbar, wie beispielsweise
seitlich angebrachte oder zentral durch den Stapel durchgeführte
Kontaktstifte. Diese werden mit jeweils gleich gepolten Elektrodenschichten 3 kontaktiert bzw. überspringen einen
elektrischen Kontakt bei jeder zweiten Elektrodenschicht 3.
-
- 1
- Schichtstapel
eines Vielschichtbauelements
- 1a
- Teilstapel
mit zerdrückbarer Schicht
- 1b
- Teilstapel
mit zerdrückter Schicht
- 2
- piezokeramische
Schicht
- 3
- Elektrodenschicht
- 4a
- temporäre
Schicht
- 4b
- zerdrückbare
Schicht
- 4c
- zerdrückte
Schicht
- 5
- zerdrückbare
Strukturen
- 6
- Füllmaterial
- 7
- Hohlräume
- 8
- Bruchstücke
einer zerdrückten Struktur
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-