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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Vielschichtbauteil, das beispielsweise als piezoelektrischer Aktor oder als piezoelektrischer Transformator ausgestaltet sein kann. Ferner betrifft die Erfindung ein piezoelektrisches Keramikbauteil, das als piezoelektrischer Transformator oder als Temperatursensor dienen kann. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der piezoelektrischen Aktoren für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen oder von luftverdichtenden, selbstgezündeten Brennkraftmaschinen.
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Aus der
WO 2004/077583 A1 ist ein elektrisches Vielschichtbauelement mit einer Vielzahl von entlang einer Längsachse angeordneten, übereinander liegenden keramischen Schichten mit dazwischen liegenden Elektrodenschichten bekannt. Hierbei ist an wenigstens einer Stelle der Längsachse zwischen zwei keramischen Schichten eine keramische Sollbruchschicht angeordnet, die gegenüber Zugspannungen in Längsrichtung eine geringere Stabilität aufweist als die keramischen Schichten. Durch die geringere Stabilität der Sollbruchschichten soll ein unkontrolliertes Vordringen von Rissen in das Bauelement verhindert werden.
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Die aus der
WO 2004/077583 A1 bekannte Ausgestaltung des elektrischen Vielschichtbauelements hat den Nachteil, dass durch die Festigkeitsreduktion die gesamte Bauteillage in diesem Gefügebereich destabilisiert wird. Außerdem wird die elektromechanische Funktionalität des Vielschichtbauelements hierdurch verschlechtert.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße piezoelektrische Vielschichtbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das piezoelektrische Keramikbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 haben den Vorteil, dass die Entstehung von Polungsrissen während der Herstellung und eines Betriebs gezielt gesteuert werden kann. Speziell besteht der Vorteil, dass eine robustere Ausgestaltung möglich ist und insbesondere im Anwendungsfall auftretende Ausfälle aufgrund verzweigter Polungsrisse verhindert sind.
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Die Trennmittelschicht ist hierbei so ausgeführt, dass sich beim Sintervorgang im Bereich der Trennmittelschicht ein Bereich mit reduzierter Materialfestigkeit bildet, der als Sollbruchstelle für mögliche Polungsrisse dient. Die Trennmittelschicht wird im Grünaufbau des Vielschichtbauteils aufgebracht.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Vielschichtbauteils und des im Anspruch 11 angegebenen piezoelektrischen Keramikbauteils möglich.
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Durch eine oder mehrere Trennmittelschichten kann die Entstehung von Polungsrissen gezielt gesteuert werden. Hierbei kann eine Verschlechterung der elektromechanischen Eigenschaften vermieden werden. Speziell ist eine mechanische Bearbeitung nach einer thermischen Prozessierung des Vielschichtbauteils beziehungsweise des Keramikbauteils nicht mehr notwendig.
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Die gezielte Steuerung von Polungsrissen bei der Aktorfertigung und beim Betrieb erfolgt durch Einbringen von zumindest einer Trennmittelschicht, vorzugsweise mehreren Trennmittelschichten, beim Grünaufbau des Aktors. Hierbei kann nach dem Aufdrucken der Elektroden auf eine Grünfolie entlang der jeweiligen isolierenden Zone bei den zurückgezogenen Innenelektrodenschichten die Trennschicht aufgebracht werden. Dieses Aufbringen erfolgt in vorteilhafter Weise durch Drucken oder Sprühen. Die Trennmittelschicht verhindert oder vermindert beim Laminieren die Haftung zwischen den keramischen Grünfolien. Die verminderte Haftung führt in der Folge dazu, dass die Mikrostruktur, die sich beim Sintervorgang ausbildet, im Bereich der Trennschicht gestört ist und eine reduzierte Festigkeit aufweist. Die Bereiche der reduzierten Materialfestigkeit stellen Sollbruchstellen für Polungsrisse dar, die bei der Fertigung bewusst eingebracht werden. Anstelle von statistisch über die gesamte Länge verteilten Polungsrissen, die sich gegebenenfalls verzweigen, was ungünstig ist, entstehen die Polungsrisse nunmehr an den Stellen mit reduzierter Materialfestigkeit. Durch die Anzahl der eingebrachten Trennmittelschichten lässt sich sowohl die Anzahl als auch die Verteilung der entstehenden Polungsrisse steuern.
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Vorteilhaft ist es, dass sich die Trennmittelschicht neben der Innenelektrodenschicht über die isolierende Zone erstreckt. Hierdurch können die im Bereich der isolierenden Zone auftretenden Spannungen weitgehend aufgelöst werden. Solche Spannungen können bereits beim elektrischen Polen entstehen. Durch die Trennmittelschicht wird hierbei ein unkontrollierter Rissverlauf verhindert. Speziell kann die Entstehung von verzweigten Polungsrissen verhindert werden. Hierdurch bleibt die Isolation zwischen benachbarten Innenelektrodenschichten gewährleistet. Auch die Durchbrechung einer Innenelektrodenschicht durch einen verzweigten Riss wird verhindert. Ferner bleiben die elektromechanische Funktionalität und Leistungsfähigkeit erhalten.
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Die Trennmittelschicht kann aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen. Es können Silikonverbindungen zum Einsatz kommen. Es können auch fluorhaltige Polymere, insbesondere ein fluoriertes Silikon, ein Perfluorether und/oder ein Teflon, zum Einsatz kommen. Die Trennmittelschicht kann auch auf der Basis von Kohlenstoff, insbesondere Graphit, ausgestaltet sein. Hierdurch kann eine Trennmittelschicht gebildet werden, die die gewünschte verminderte Haftung zwischen den aufeinander geschichteten Grünfolien im Bereich der isolierenden Zone erzielt.
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Das beim Applizieren der Trennmittelschicht aufgebrachte Material muss hierbei nicht notwendigerweise vollständig ausgetrieben werden. Rückstände von Fluor können als Dotierstoff lokal oder auch homogen verteilt in die Keramik eingebaut werden. Dies ist sinterbedingungs- und materialabhängig. Wenn ein lokaler Einbau erfolgt, dann entstehen zusätzliche Gefügevariationen zur Unterstützung der Risssteuerung. Allerdings werden in beiden Fällen, das heißt sowohl bei einer lokalen als auch bei einer homogen Verteilung, durch die zusätzliche geringe Dotierung mit Fluor die elektromechanischen Eigenschaften verbessert, wobei gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit reduziert wird. Silizium kann als Glasbildner, der nicht eingebaut wird, an der Schnittstelle zurückbleiben und lokal die Rissbildung unterstützen.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass an zumindest einer weiteren keramischen Schicht eine weitere Trennmittelschicht vorgesehen ist und dass die weitere Trennmittelschicht auf einer Seite der weiteren keramischen Schicht neben einer der Innenelektrodenschichten aufgebracht ist und sich zumindest teilweise über eine der isolierenden Zonen erstreckt. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die Trennmittelschicht neben einer mit der ersten Außenelektrode verbundenen Innenelektrodenschicht auf die keramische Schicht aufgebracht ist und sich über die eine isolierende Zone erstreckt und dass die weitere Trennmittelschicht neben einer mit der zweiten Außenelektrode verbundenen Innenelektrodenschicht auf die weitere keramische Schicht aufgebracht ist und sich über die andere isolierende Zone erstreckt. Hierdurch können in beiden isolierenden Zonen gezielt Risse erzeugt werden. Dies kann somit bezüglich der beiden isolierenden Zonen symmetrisch erfolgen. Hierdurch wird das elektromechanische Verhalten verbessert.
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Vorzugsweise werden solche Trennmittelschichten entlang einer Längsachse des piezoelektrischen Vielschichtbauteils beziehungsweise des piezoelektrischen Keramikbauteils gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Das piezoelektrische Keramikbauteil ist nicht notwendigerweise als Vielschichtbauteil aufgebaut. Hierdurch ist eine Anwendung für Transformatoren oder Temperatursensoren, bei denen im Besonderen durch Eigendehnung, beispielsweise thermisch oder elektrisch bedingt, ein ungestörtes Risswachstum einsetzen kann, welches die Bauteileigenschaften negativ beeinflusst, möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein piezoelektrisches Bauteil in einer schematischen, räumlichen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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2 einen Schnitt durch das in 1 dargestellte piezoelektrische Bauteil des Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer schematischen Darstellung entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Bauteils 1 der Erfindung in einer schematischen, räumlichen Darstellung. Das piezoelektrisches Bauteil 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als piezoelektrisches Vielschichtbauteil 1 ausgestaltet. Das piezoelektrische Bauteil 1 kann auch als piezoelektrisches Keramikbauteil 1 ausgestaltet sein, das nicht notwendigerweise eine Vielzahl von Schichten umfasst. Speziell eignet sich das piezoelektrisches Vielschichtbauteil 1 als piezoelektrischer Aktor für Brennstoffeinspritzventile. Als Anwendungsbereich kommen hierbei sowohl Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen als auch von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen in Frage. Das piezoelektrische Vielschichtbauteil 1 der Erfindung und das piezoelektrische Keramikbauteil 1 der Erfindung eignen sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
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Das piezoelektrische Vielschichtbauteil 1 weist eine Vielzahl von keramischen Schichten 2, 3, 4 auf. Ferner weist das Vielschichtbauteil 1 eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 2 bis 4 angeordneten Innenelektrodenschichten 5, 6 auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind zur Vereinfachung der Darstellung nur die keramischen Schichten 2 bis 4 und die Innenelektrodenschichten 5, 6 gekennzeichnet.
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Der weitere Aufbau des piezoelektrischen Vielschichtbauteils 1 ist im Folgenden auch unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben.
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2 zeigt einen Schnitt durch das in 1 dargestellte piezoelektrische Vielschichtbauteil 1 in einer schematischen Darstellung entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie. Der Schnitt erfolgt hierbei im Bereich der Innenelektrodenschicht 5. Ferner verläuft der Schnitt senkrecht zu einer Längsachse 7 des Vielschichtbauteils 1.
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Die keramische Schicht 3 erstreckt sich über den gesamten Querschnitt eines Aktorkörpers 8 des piezoelektrischen Vielschichtbauteils 1, der durch eine Vielzahl von keramischen Schichten 2 bis 4, die Innenelektrodenschichten 5, 6 sowie an den Enden angefügte Übergangsstücke 9, 10, die einen Aktorfuß und einen Aktorkopf bilden, zusammengesetzt ist. Im Grünzustand der keramischen Schicht 3 wird diese teilweise mit der Innenelektrodenschicht 5 beschichtet. Hierbei verbleibt eine isolierende Zone 11 der keramischen Schicht 3, in der die Innenelektrodenschicht 5 von einer Außenseite 12 des später zusammengesetzten Aktorkörpers 8 beabstandet ist. Allerdings ist die Innenelektrodenschicht 5 bis zu einer Außenseite 13 des Aktorkörpers 8 geführt.
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Bei der Herstellung des Vielschichtbauteils 1 wird auf die Außenseite 12 eine erste Außenelektrode 14 aufgebracht. Auf die Außenseite 13 wird eine zweite Außenelektrode 15 aufgebracht.
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Die Ausgestaltung der Innenelektrodenschicht 6 entspricht der Ausgestaltung der Innenelektrodenschicht 5. Allerdings wird die Innenelektrodenschicht 6 bis an die Außenseite 12 des Aktorkörpers 8 geführt, während sie von der Außenseite 13 durch eine isolierende Zone 16 von der zweiten Außenelektrode 15 beabstandet bleibt.
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Bei der elektrischen Kontaktierung der Außenelektroden 14, 15 mit den Innenelektrodenschichten 5, 6 wird daher die Innenelektrodenschicht 5 nur mit der zweiten Außenelektrode 15 verbunden, während die Innenelektrodenschicht 6 nur mit der ersten Außenelektrode 14 verbunden wird. Entsprechendes gilt für die anderen Innenelektrodenschichten. Hierdurch sind die Innenelektrodenschichten 5, 6 abwechselnd mit der ersten Außenelektrode 14 und der zweiten Außenelektrode 15 elektrisch verbunden.
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An der keramischen Schicht 3 ist eine Trennmittelschicht 20 vorgesehen. Die Trennmittelschicht 20 wird hierbei in der isolierenden Zone 11 neben der Innenelektrodenschicht 5 auf die keramische Schicht 3 aufgebracht. Das Aufbringen kann durch Drucken, Sprühen oder auf andere Weise erfolgen. Im Aufbau des Aktorkörpers 8, insbesondere im laminierten Aufbau, wird durch die Trennmittelschicht 20 eine mechanische Schwächung des Gefüges erzielt. Bereits beim Polen des piezoelektrischen Vielschichtbauteils 1 kann an der Trennmittelschicht 20 ein Riss entstehen. Hierdurch ist eine Sollbruchstelle gewährleistet. Damit wird die Entstehung von Rissen in anderen Bereichen des Aktorkörpers 8 verhindert.
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In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Trennmittelschicht 20 ausgehend von der Außenseite 12 über einen Bereich 21. Die entstehenden Risse sind hierbei im Wesentlichen auf den Bereich 21 begrenzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Bereich 21 kleiner als die isolierende Zone 11. Der Bereich 21 kann allerdings auch mit der isolierenden Zone 11 übereinstimmen. Dann erstreckt sich die Trennmittelschicht 20 neben der Innenelektrodenschicht 5 über die isolierende Zone 11.
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In entsprechender Weise kann auch für eine andere keramische Schicht, beispielsweise die keramische Schicht 4, beziehungsweise eine andere Innenelektrodenschicht, beispielsweise die Innenelektrodenschicht 6, ein Bereich 22 für eine andere Trennmittelschicht 23 vorgegeben sein. Die andere Trennmittelschicht 23 ist in der 2 durch eine unterbrochen dargestellte Linie veranschaulicht und erstreckt sich beispielsweise von der Außenseite 13 bis zu dieser unterbrochen dargestellten Linie 23. Die andere Trennmittelschicht 23 kann dann neben der Innenelektrodenschicht 6 auf die keramische Schicht 4 aufgebracht sein.
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Vorzugsweise sind mehrere Trennmittelschichten 20, 20A bis 20F im Bereich 21 der isolierenden Zone 11 vorgesehen und entlang der Längsachse 7 gleichmäßig über den Aktorkörper 8 verteilt. Entsprechend können mehrere Trennmittelschichten 23 im Bereich 22 der isolierenden Zone 16 vorgesehen sein.
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Die Innenelektrodenschichten 5, 6 können beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens auf die jeweilige keramische Schicht 3, 4 aufgebracht werden. Dann erfolgt ein Stapeln der keramischen Schichten 2 bis 4 und ein anschließendes Laminieren unter Druck. Die vorzugsweise aufgedruckten oder aufgesprühten Trennmittelschichten 20, 20A bis 20F, 23 definieren dann lokale Sollbruchstellen für Polungsrisse.
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Somit ist eine gezielte Steuerung von Polungsrissen während der Herstellung des Bauteils 1 und während des Betriebs möglich. Somit kann das Bauteil 1 robuster ausgestaltet werden. Feldrelevante Ausfälle, die durch verzweigte Polungsrisse auftreten, werden somit unterbunden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/077583 A1 [0002, 0003]
