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Es wird ein Piezoaktor angegeben.
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Piezoaktoren, wie sie beispielsweise in Piezoeinspritzsystemen angewandt werden, erfahren im Betrieb hohe mechanische Belastungen. Insbesondere das Spannungsniveau im Bereich von piezoelektrisch inaktiven Isolationszonen beeinflusst maßgeblich die Belastungsgrenze für einen zuverlässigen Betrieb eines Piezoaktors. Bei der Herstellung von Piezoaktoren treten signifikante mechanische Zugspannungen auf, die zusätzlich zu den Spannungen verursacht durch Dehnungsunterschiede zwischen piezoelektrisch aktiven und inaktiven Bereichen im Betrieb wirken.
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Piezoaktoren weisen typischerweise ein piezoelektrisches Material, beispielsweise ein piezoelektrisches Keramikmaterial, und Elektroden auf. Beim Herstellen eines derartigen Elektroden-Keramik-Verbunds führen Inhomogenitäten im Schwund und in der thermischen Dehnung beim Abkühlen zu so genanntem Dehnungsmismatch und Verspannung im Piezoaktor.
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Zur Reduktion der Zugspannungen in den inaktiven Bereichen von Piezoaktoren wurden bisher Designs und Prozesse zur Implementierung von Sollbruchstellen vorgeschlagen. Bei Polung und im Betrieb entstehen Risse in den Sollbruchstellen, die das Spannungsniveau in den Segmenten der inaktiven Bereiche zwischen den Sollbruchstellen absenken. Vorschläge zur zusätzlichen Reduktion der herstellungsbedingten Verspannung zwischen aktiven Bereichen und inaktiven Bereichen sind nicht bekannt.
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Eine Aufgabe von zumindest einigen Ausführungsformen ist es, einen Piezoaktor mit piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Piezoaktor einen Stapel aus übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten und dazwischen abwechselnd übereinander angeordneten ersten Elektrodenschichten und zweiten Elektrodenschichten auf, die sich in einem aktiven Bereich zwischen einem ersten Randbereich und einem zweiten Randbereich des Stapels überlappen, wobei der erste Randbereich frei von zweiten Elektrodenschichten und der zweite Randbereich frei von ersten Elektrodenschichten ist, im zweiten Randbereich erste Hilfselektrodenschichten coplanar und beabstandet zu den ersten Elektrodenschichten angeordnet sind und im ersten Randbereich zweite Hilfselektrodenschichten coplanar und beabstandet zu den zweiten Elektrodenschichten angeordnet sind.
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Mit Vorteil kann es beim hier beschriebenen Piezoaktor möglich sein, eine Reduktion der mechanischen Verspannung zwischen den Randbereichen und dem aktiven Bereich, die beispielsweise bei bekannten Piezoaktoren durch den Herstellungsprozess auftreten können, zu erreichen. Beim hier beschriebenen Piezoaktor kann es mit Vorteil möglich sein, aufgrund der ersten und zweiten Hilfselektrodenschichten, die jeweils coplanar mit den ersten und zweiten Elektrodenschichten angeordnet sind, diese herstellungsbedingten Verspannungen zu reduzieren.
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Insbesondere kann der Piezoaktor als Vielschicht-Piezoaktor ausgeführt sein. Der erste und zweite Randbereich können insbesondere piezoelektrisch inaktiv sein. Mit anderen Worten kann die piezoelektrische Funktion des Stapels als Piezoaktor durch den aktiven Bereich erreicht werden, während der erste und zweite Randbereich nicht zur piezoelektrischen Funktion beitragen. Der erste und zweite Randbereich können auch als so genannte Isolationszonen bezeichnet werden.
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Hier und im Folgenden bedeutet eine coplanare Anordnung einer Elektrodenschicht und einer Hilfselektrodenschicht, dass die Elektrodenschicht und die Hilfselektrodenschicht in einer Ebene angeordnet sind und mit anderen Worten somit in derselben Ebene liegen. Insbesondere können jeweils eine erste Elektrodenschicht und eine dazu coplanar angeordnete erste Hilfselektrodenschicht in einer jeweiligen ersten Elektrodenebene angeordnet sein. Weiterhin können jeweils eine zweite Elektrodenschicht und eine dazu coplanar angeordnete zweite Hilfselektrodenschicht in einer jeweiligen zweiten Elektrodenebene angeordnet sein, wobei die ersten und zweiten Elektrodenebenen abwechselnd übereinander im Stapel angeordnet sind.
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Insbesondere kann die Verspannung zwischen Isolationszonen, also den Randbereichen, und dem aktiven Bereich des bevorzugt als Vielschicht-Piezoaktor ausgeführten Piezoaktors mittels des speziellen Designs der Innenelektroden im Inneren des Piezoaktors, also der erste und zweiten Elektrodenschichten und der ersten und zweiten Hilfselektrodenschichten, verringert werden. Die hier und im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Innenelektroden sehen insbesondere zusätzliche Elektrodenbereiche in Form der Hilfselektrodenschichten in den Isolationszonen vor. Diese zusätzlichen Elektrodenbereiche der Innenelektroden können einerseits bei der Herstellung des Piezoaktors zu einer homogenen Verdichtung beim Laminationsprozess führen und andererseits eine homogene Dotierung der piezoelektrischen Schichten, die beispielsweise eine Keramik beziehungsweise ein Keramikmaterial aufweisen können, mit Elektrodenschichtmaterial beim Kosintern bewirken. Aufgrund dieser so erreichten Homogenisierung des Keramik-Elektrodenschichten-Verbunds werden mechanische Restspannungen im gesinterten Piezoaktor reduziert.
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Die hier angegebenen Innenelektrodendesigns können weiterhin technisch einfach, schnell und kostengünstig, insbesondere mittels geringfügiger Anpassungen gängiger Vielschichtprozesse zur Herstellung von Piezoaktoren, realisiert werden. Die hier beschriebenen zusätzlichen Hilfselektrodenschichten in den Isolationszonen, also den Randbereichen, bewirken keine negativen Veränderungen der relevanten Kenngrößen des Piezoaktors wie Auslenkung, Blockierkraft, Steifigkeit, Kapazität und Verlustenergie bei gegebener elektrischer Spannung beziehungsweise Ladung. Weiterhin gibt es keinen negativen Auswirkungen der hier beschriebenen Elektrodendesigns auf die Festigkeit des Stapels des Piezoaktors.
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Insbesondere können die ersten und zweiten Elektrodenschichten sowie die ersten und zweiten Hilfselektrodenschichten metallisch sein.
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Weiterhin können auf einer ersten Seitenfläche des Stapels angrenzend an den ersten Randbereich eine erste Außenelektrode, die die ersten Elektrodenschichten elektrisch kontaktiert, und auf einer zweiten Seitenfläche des Stapels angrenzend an den zweiten Randbereich eine zweite Außenelektrode, die die zweiten Elektrodenschichten elektrisch kontaktiert, angeordnet sein.
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Weiterhin kann die erste Außenelektrode die zweiten Hilfselektroden elektrisch kontaktieren. Darüber hinaus kann die zweite Außenelektrode die ersten Hilfselektroden elektrisch kontaktieren. Damit können die erste und/oder die zweite Außenelektrode die zweiten beziehungsweise die ersten Hilfselektrodenschichten kontaktieren, wobei der erste beziehungsweise der zweite Randbereich dabei piezoelektrisch inaktiv bleiben.
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Der hier beschriebene Piezoaktor zeichnet sich durch die Implementierung der Hilfselektrodenschichten in den Randbereichen und damit durch die Implementierung von zusätzlichen Elektrodenbereichen in den Isolationszonen aus. Die hier beschriebenen Innenelektrodendesigns reduzieren die herstellungsbedingten mechanischen Zugspannungen und senken so die mechanische Belastung im Betrieb und erhöhen die Zuverlässigkeit und Dauerbelastbarkeit des hier beschriebenen Piezoaktors.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 2C beschriebenen Ausführungsformen.
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Es zeigen:
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1A bis 1C schematische Darstellungen eines Piezoaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel und
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2A bis 2C schematische Darstellungen eines Piezoaktors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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In den 1A bis 1C sind eine schematische Schnittansicht in einer Seitenansicht und zwei schematische Ansichten von Querschnitten eines Piezoaktors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. 1A zeigt dabei einen Schnitt entlang der Schnittebenen AA und A'A' der 1B und 1C, während 1B einen Schnitt entlang der Schnittebene BB und 1C einen Schnitt entlang der Schnittebene CC in 1A zeigen. Die folgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf alle 1A bis 1C.
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Der Piezoaktor 100 weist einen Stapel 1 aus übereinanderangeordneten piezoelektrischen Schichten auf. Zwischen den piezoelektrischen Schichten sind abwechselnd übereinander erste Elektrodenschichten 2 und zweite Elektrodenschichten 3 angeordnet, die sich in einem aktiven Bereich 10 zwischen einem ersten Randbereich 11 und einem zweiten Randbereich 12 des Stapels 1 überlappen. Der aktive Bereich 10 und die Randbereiche 11 und 12 sind mittels der gestrichelten Linien in 1A schematisch angedeutet.
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Der gezeigte Piezoaktor 100 weist ein so genanntes Kondensatordesign auf. Die piezoelektrischen Schichten des Stapels 1 weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Keramikmaterial auf, das in Form von Keramikfolien bereitgestellt wird.
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Der erste Randbereich 11 ist frei von zweiten Elektrodenschichten 3 und der zweite Randbereich 12 ist frei von ersten Elektrodenschichten 2. Die ersten Elektrodenschichten 2 und die zweiten Elektrodenschichten 3 sind somit jeweils als Innenelektroden mit gleicher Polarität ausgeführt und jeweils nur auf einer Seite bis an den Rand des Stapels 1 herausgeführt. Dadurch sind die ersten Elektrodenschichten 2 an einer ersten Seitenfläche 14 gemeinsam elektrisch kontaktierbar, während die zweiten Elektrodenschichten 3 auf einer zweiten Seitenfläche 15, die der ersten Seitenfläche 14 gegenüberliegt, gemeinsam elektrisch kontaktierbar sind. Auf der ersten Seitenfläche 14 des Stapels 1 ist eine erste Außenelektrode (nicht gezeigt) angrenzend an den ersten Randbereich 11 angeordnet, die die ersten Elektrodenschichten 2 elektrisch kontaktiert, während auf der zweiten Seitenfläche 15 des Stapels 1 angrenzend an den zweiten Randbereich 12 eine zweite Außenelektrode (nicht gezeigt) angeordnet ist, die die zweiten Elektrodenschichten 3 elektrisch kontaktiert, so dass die ersten und zweiten Elektrodenschichten 2, 3 jeweils parallel miteinander verbunden sind. Insbesondere grenzen der erste und zweite Randbereich 11, 12 jeweils an gegenüberliegende Seitenflächen 14, 15 des Stapels an.
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Die Bereiche, in denen sich Innenelektroden unterschiedlicher Polarität, also die ersten und zweiten Elektrodenschichten 2, 3, nicht überlappen, bilden die Randbereiche 11, 12, die piezoelektrisch inaktiv sind und auch als Isolationszonen bezeichnet werden können.
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Im zweiten Randbereich 12 sind weiterhin erste Hilfselektrodenschichten 20 coplanar und beabstandet zu den ersten Elektrodenschichten 2 angeordnet, während im ersten Randbereich 11 zweite Hilfselektrodenschichten 30 coplanar und beabstandet zu den zweiten Elektrodenschichten 3 angeordnet sind.
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Dadurch sind in den Isolationszonen zusätzliche Bereiche mit Elektrodenschichten belegt. Diese zusätzlichen Elektroden in den Isolationszonen, also die ersten und zweiten Hilfselektrodenschichten 20, 30 im ersten und zweiten Randbereich 11, 12, sind elektrisch jeweils mit der am Rand, also der ersten beziehungsweise zweiten Seitenfläche 14, 15, befindlichen Außenelektrode verbunden und zur gegenpoligen Innenelektrode, also der jeweils coplanaren zweiten beziehungsweise ersten Elektrodenschicht 3, 2, durch einen hinreichend großen Spalt getrennt. Dieser Spalt ist im gesinterten Bauteil mit dichter Keramik, also dem Material der piezoelektrischen Schichten des Stapels 1, ausgefüllt und daher elektrisch hochisolierend. Die zusätzlich eingebrachten Elektroden in Form der ersten und zweiten Hilfselektrodenschichten 20, 30 sorgen für homogenere Verhältnisse beim Laminieren und führen zu einer homogeneren Dichte der verpressten Teile. Weiterhin ist aufgrund des zusätzlichen Elektrodenmaterials der Hilfselektrodenschichten 20, 30 in den Isolationszonen, also den Randbereichen 11, 12, die Diffusion von Elektrodenmaterial in die Keramik beim Kosintern homogenisiert. Dies führt zu weniger Schwundunterschied, geringerem Dehnungsmismatch und geringerer mechanischer Verspannung.
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Bei bekannten Piezoaktoren ohne die ersten und zweiten Hilfselektrodenschichten 20, 30 hingegen ergeben sich Inhomogenitäten im Keramik-Elektroden-Verbund und insbesondere die folgenden Nachteile. Die Gesamtmenge an den gestapelten Materialien gebildet durch Keramikfolien und Elektroden ist in den Isolationszonen geringer als in der aktiven Zone und entspricht insbesondere der halben Anzahl an Elektroden. Dies führt zu inhomogener Verdichtung beim Laminierprozess beziehungsweise Pressen. Das Verhältnis von Elektrodenmaterial zu Keramikmaterial ist in den Isolationszonen geringer. Das führt zu unterschiedlicher Diffusion von Elektrodenmaterial in die Keramik beim Kosintern. In Summe führen diese Effekte bei bekannten Piezoaktoren zu einem inhomogenen Schwund der Keramik beim Kosintern und zu inhomogener thermischer Dehnung beim Abkühlen nach dem Sintern. In Folge ergeben sich Verspannungen im Stack nach dem Sintern.
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Wie vorab beschrieben können beim hier beschriebenen Piezoaktor diese Nachteile vermindert oder sogar verhindert werden.
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In den 2A bis 2C sind eine schematische Schnittansicht in einer Seitenansicht und zwei schematische Ansichten von Querschnitten eines Piezoaktors 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. 2A zeigt dabei einen Schnitt entlang der Schnittebenen AA und A'A' der 2B und 2C, während 2B einen Schnitt entlang der Schnittebene BB und 2C einen Schnitt entlang der Schnittebene CC in 2A zeigen. Die folgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf alle 2A bis 2C.
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Im Vergleich zum Piezoaktor 100 gemäß dem vorherigen Ausführungsbeispiel weist der Piezoaktor 200 ein so genanntes „Eckendesign” auf, bei dem der erste und zweite Randbereich 11, 12 an sich gegenüberliegenden Ecken bzw. Eckbereichen des Stapels 1 angeordnet sind. Im ersten Randbereich 11 in einer ersten Ecke des Stapels 1 gebildet durch erste Seitenflächen 14, 14', die aneinander angrenzen, sind dabei zweite Hilfselektrodenschichten 30 angeordnet, die coplanar und beabstandet zu zweiten Elektrodenschichten 3 sind, während im zweiten Randbereich 12 in einer dazu gegenüberliegenden Ecke gebildet durch zweite Seitenflächen 15, 15', die aneinander angrenzen, erste Hilfselektrodenschichten 20 angeordnet sind, die coplanar und beabstandet zu ersten Elektrodenschichten 2 angeordnet sind.
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Die sich gegenüberliegenden Ecken werden somit durch sich jeweils gegenüberliegende Seitenflächen 14, 14', 15, 15' gebildet, an denen wie im Zusammenhang mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschriebene Außenelektroden (nicht gezeigt) zur parallelen elektrischen Kontaktierung jeweils der ersten und zweiten Elektrodenschichten 2, 3 angebracht sind.
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Dadurch ist das Konzept der zusätzlich in den Isolationszonen eingebrachten Innenelektroden in Form der im ersten und zweiten Randbereich 11, 12 jeweils angeordneten ersten und zweiten Hilfselektrodenschichten 20, 30 auf einen Piezoaktor mit Isolationszonen in gegenüberliegenden Ecken angewandt. Auch in diesem Fall bewirken die zusätzlichen Hilfselektrodenschichten 20, 30 in den Außenecken der Isolationszonen eine Homogenisierung des Keramik-Elektroden-Verbunds und somit eine Reduzierung der Verspannung.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
