DE102012218106A1

DE102012218106A1 - Piezoelectric element for piezoelectric actuator for motor car injection system, has stack of internal electrode layers which is comprised with thin internal electrode layers whose layer thickness is smaller than thick electrode layers

Info

Publication number: DE102012218106A1
Application number: DE201210218106
Authority: DE
Inventors: Jan Benes; Gerd Pohl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2014-04-10

Abstract

The piezoelectric element (1) has a stack of multiple piezoelectric ceramic layer elements (3) and several internal electrode layers (7) arranged between two adjacent piezoelectric ceramic layer elements. The stack of internal electrode layers is comprised with thin internal electrode layers (7b) whose layer thickness is smaller than the thick internal electrode layers (7a). The internal electrode layers contain the noble metal and are manufactured by screen printing technology.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Piezoelement mit einem Stapel aus mehreren piezokeramischen Schichtelementen und jeweils zwischen zwei benachbarten piezokeramischen Schichtelementen angeordneten Innenelektrodenschichten. Die Erfindung betrifft ferner einen Piezoaktor für ein Kraftfahrzeug-Einspritzsystem. The present invention relates to a piezoelectric element with a stack of several piezoceramic layer elements and in each case between two adjacent piezoceramic layer elements arranged inner electrode layers. The invention further relates to a piezoelectric actuator for a motor vehicle injection system.

Stand der TechnikState of the art

Piezoelemente werden häufig als Piezoaktoren oder Piezosensoren eingesetzt. Bei einem Piezoaktor können durch Anlegen einer elektrischen Spannung an eine piezokeramische Schicht deren Außenabmessungen verändert werden. Bei einem Piezosensor kann ein Druck auf Außenflächen einer piezokeramischen Schicht eine elektrische Spannung bewirken. Piezo elements are often used as piezo actuators or piezo sensors. In a piezoelectric actuator can be changed by applying an electrical voltage to a piezoceramic layer whose outer dimensions. In a piezosensor, a pressure on outer surfaces of a piezoceramic layer can cause an electrical voltage.

Beispielsweise werden Druck- oder Ultraschallsensoren aus piezoelektrischer Keramik teilweise als so genannte Mono-Elemente ausgeführt, das heißt, sie bestehen aus einer einzigen Lage aktivem piezokeramischen Materials. Ein piezokeramisches Schichtelement ist dabei an zwei gegenüberliegenden Oberflächen mit jeweils einer metallischen Elektrodenschicht kontaktiert. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten verändert das piezokeramische Schichtelement seine Abmessungen, so dass eine mechanische Kraft ausgeübt werden kann und das Piezoelement als Aktor wirken kann. Umgekehrt kann eine von außen ausgeübte mechanische Kraft eine elektrische Spannung induzieren, so dass das Piezoelement als Sensor wirken kann. For example, pressure or ultrasonic sensors made of piezoelectric ceramic are sometimes designed as so-called mono-elements, that is, they consist of a single layer of active piezoceramic material. A piezoceramic layer element is contacted on two opposite surfaces, each with a metallic electrode layer. Upon application of an electrical voltage between the two electrode layers, the piezoceramic layer element changes its dimensions, so that a mechanical force can be exerted and the piezo element can act as an actuator. Conversely, a mechanical force exerted from the outside can induce an electrical voltage, so that the piezo element can act as a sensor.

Ist das hierbei zu erzielende Signal eines Sensors bzw. die zu erzielende Kraft eines Aktors zu gering, kann durch Erhöhen der Anzahl von piezokeramischen Schichtelementen eine Vervielfachung des Signals bzw. der Kraft erreicht werden. Beispielsweise ist in der DE 10 2007 049 145 A1 ein mehrlagiger Piezoaktor beschrieben. Dabei sind mehrere piezokeramische Schichtelemente benachbart zueinander angeordnet, wobei zwischen den benachbarten Schichtelementen jeweils eine Innenelektrodenschicht angeordnet ist. If the signal to be achieved thereby of a sensor or the force of an actuator to be achieved is too low, a multiplication of the signal or of the force can be achieved by increasing the number of piezoceramic layer elements. For example, in the DE 10 2007 049 145 A1 a multilayer piezoelectric actuator described. In this case, a plurality of piezoceramic layer elements are arranged adjacent to one another, wherein in each case an inner electrode layer is arranged between the adjacent layer elements.

Es wurde beobachtet, dass es bei Piezoelementen, die eine Mehrzahl von piezokeramischen Schichtelementen und dazwischen liegende Innenelektrodenschichten aufweisen, insbesondere bei bestimmten Konfigurationen der Innenelektrodenschichten zu Defekten an dem Piezoelement kommen kann.It has been observed that piezo elements which have a plurality of piezoceramic layer elements and inner electrode layers lying therebetween can cause defects on the piezoelement, in particular in the case of certain inner electrode layer configurations.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ausführungsformen eines hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Piezoelements können einen langfristigen zuverlässigen Betrieb des Piezoelements bei gleichzeitig im Vergleich zu herkömmlichen Piezoelementen verringerten Herstellungskosten ermöglichen.Embodiments of a piezoelectric element according to the invention described herein can enable long-term reliable operation of the piezoelectric element with simultaneously reduced manufacturing costs in comparison to conventional piezoelectric elements.

Es wird ein Piezoelement mit einem Stapel aus mehreren piezokeramischen Schichtelementen und mehreren jeweils zwischen zwei benachbarten piezokeramischen Schichtelementen angeordneten Innenelektrodenschichten vorgeschlagen, bei dem einige der Innenelektrodenschichten eine kleinere Schichtdicke aufweisen als andere Innenelektrodenschichten des das Piezoelement bildenden Stapels. Die Innenelektrodenschichten mit kleinerer Schichtdicke werden hierbei im Anschluss als dünne Innenelektrodenschichten bezeichnet, wohingegen die Innenelektrodenschichten größerer Schichtdicke als dicke Innenelektrodenschichten bezeichnet werden.It is proposed a piezoelectric element with a stack of several piezoceramic layer elements and a plurality of each disposed between two adjacent piezoceramic layer elements inner electrode layers in which some of the inner electrode layers have a smaller layer thickness than other inner electrode layers of the piezoelectric element forming stack. The inner electrode layers with a smaller layer thickness are referred to hereinafter as thin inner electrode layers, whereas the inner electrode layers of greater layer thickness are referred to as thick inner electrode layers.

Das vorgeschlagene Piezoelement kann unter anderem als auf den folgenden Ideen und Erkenntnissen beruhend angesehen werden:
Herkömmliche keramische Vielschicht-Piezoelemente weisen
Innenelektrodenschichten auf, deren Schichtdicke für alle
Innenelektrodenschichten einheitlich ist, das heißt, jede der
Innenelektrodenschichten hat dieselbe Schichtdicke. The proposed piezoelectric element can be considered, inter alia, as being based on the following ideas and findings:
Conventional ceramic multilayer piezoelectric elements have
Internal electrode layers, whose layer thickness for all
Internal electrode layers is uniform, that is, each of the
Internal electrode layers have the same layer thickness.

Die Innenelektrodenschichten werden häufig mit Hilfe von Siebdrucktechnologien hergestellt, wobei dabei verwendete Siebdruckpasten meist ein Edelmetall wie beispielsweise Palladium- oder Silberpartikel enthalten und somit sehr teuer sind. Es wird daher angestrebt, eine Schichtdicke der Innenelektrodenschichten möglichst gering zu halten, um die Materialkosten für die Fertigung des Piezoelements zu minimieren. The inner electrode layers are often produced with the aid of screen printing technologies, wherein screen printing pastes used in this case usually contain a noble metal such as palladium or silver particles and are therefore very expensive. It is therefore desirable to keep a layer thickness of the inner electrode layers as low as possible in order to minimize the material costs for the production of the piezoelectric element.

Allerdings wurde beobachtet, dass bei Unterschreiten einer bestimmten Mindestschichtdicke für die Innenelektrodenschichten Probleme bezüglich der Zuverlässigkeit der gefertigten Piezoelemente auftreten können. Genauere Untersuchungen haben ergeben, dass diese Probleme im Zusammenhang mit mechanischen Schädigungen zusammenstehen, die sich in dem Piezoelement ausbilden können. Es wurde insbesondere beobachtet, dass diese Schädigungen meist in bestimmten Bereichen des das Piezoelement bildenden Stapels auftreten. Insbesondere wurden Schädigungen häufig an einem Übergang zwischen einem aktiven und einem passiven Bereich des Piezoelements beobachtet. Als möglicher Grund für die Bildung derartiger Schädigungen wird insbesondere bei einer geringen Schichtdicke der Innenelektrodenschichten von veränderten mechanischen Eigenschaften der Innenelektrodenschichten sowie der Grenzfläche zwischen einer Innenelektrodenschicht und benachbarten piezokeramischen Schichten ausgegangen und als Ursache für die Bildung der Schädigungen übermäßige Belastungen, insbesondere Quer- und Scherkräfte, am Übergang zwischen dem aktiven und dem passiven Bereich des Piezoelements mit derart veränderten mechanischen Eigenschaften der Innenelektrodenschichten vermutet. However, it has been observed that, when a certain minimum layer thickness for the inner electrode layers is undershot, problems with regard to the reliability of the manufactured piezo elements can occur. More detailed studies have shown that these problems are related to mechanical damage that can form in the piezoelectric element. It has been observed in particular that these damages usually occur in certain areas of the stack forming the piezoelectric element. In particular, damage has often been observed at a junction between an active and a passive region of the piezoelectric element. As a possible reason for the formation of such damage is especially at a low Layer thickness of the inner electrode layers of changed mechanical properties of the inner electrode layers and the interface between an inner electrode layer and adjacent piezoceramic layers and as a cause for the formation of damage excessive loads, in particular transverse and shear forces at the transition between the active and the passive region of the piezoelectric element with such changed mechanical properties of the internal electrode layers suspected.

Während bei herkömmlichen Piezoelementen zur Vermeidung von Defekten alle Innenelektrodenschichten mit einer Mindestdicke ausgebildet wurden, wird aufgrund der Erkenntnis, dass diese für die Zuverlässigkeit relevanten Versagensmechanismen hauptsächlich in bestimmten Bereichen des Stapels des Piezoelements auftreten, nun vorgeschlagen, innerhalb des Stapels verschiedene Innenelektrodenschichten mit unterschiedlichen Schichtdicken vorzusehen.While in conventional piezoelectric elements to avoid defects all internal electrode layers were formed with a minimum thickness, it is now proposed to provide different internal electrode layers with different layer thicknesses within the stack due to the knowledge that these reliability mechanisms relevant to the reliability mainly occur in certain areas of the stack of the piezoelectric element ,

Es wird insbesondere vorgeschlagen, eine näher am Rand des Stapels angeordnete Innenelektrodenschicht als dicke Innenelektrodenschicht auszubilden und somit mit einer größeren Schichtdicke vorzusehen, als eine näher zur Mitte des Stapels angeordnete dünne Innenelektrodenschicht. In particular, it is proposed to form an inner electrode layer arranged closer to the edge of the stack as a thick inner electrode layer and thus to provide it with a greater layer thickness than a thin inner electrode layer arranged closer to the center of the stack.

Beispielsweise kann eine Innenelektrodenschicht, welche nahe bei einem Übergang des Stapels zwischen einem aktiv anzusteuernden Zentralbereich und einem passiven Randbereich angeordnet ist, als dicke Innenelektrodenschicht ausgebildet sein und somit eine größere Dicke aufweisen als eine dünne Innenelektrodenschicht, welche fern eines solchen Übergangs im aktiv anzusteuernden Zentralbereich angeordnet ist. For example, an inner electrode layer, which is arranged close to a transition of the stack between an actively controlled central area and a passive edge area, be formed as a thick inner electrode layer and thus have a greater thickness than a thin inner electrode layer, which remote from such a transition in the actively controlled central area is.

Damit kann der Beobachtung Rechnung getragen werden, dass Innenelektrodenschichtdicken-abhängige Versagensmechanismen bei einem Piezoelement meist am Rand des Stapels, insbesondere im Bereich eines Übergangs zwischen einem aktiv anzusteuernden Bereich und einem nicht anzusteuernden passiven Bereich des Stapels, auftreten. Während in diesem Bereich des Piezoelements dicke Innenelektrodenschichten mit einer Dicke von beispielsweise mindestens 1,8 µm, vorzugsweise mindestens 2 µm, vorgesehen werden sollten, um die Bildung von axialen Rissen in diesem Bereich zuverlässig vermeiden zu können, kann weiter im Inneren des Schichtenstapels aufgrund der dort wirkenden geringeren mechanischen Belastungen auf eine hohe Schichtdicke für die Innenelektrodenschichten verzichtet werden. Beispielsweise können die fern des hochbelasteten Übergangs zwischen aktivem und passivem Bereich angeordneten Innenelektrodenschichten als dünne Innenelektrodenschichten mit einer Dicke von höchstens 1,8 Mikrometern, vorzugsweise höchstens 1,5 Mikrometern, ausgebildet werden. Thus, it can be taken into account that internal electrode layer thickness-dependent failure mechanisms usually occur at the edge of the stack in a piezo element, in particular in the region of a transition between an area to be actively controlled and a passive region of the stack that is not to be controlled. While in this region of the piezoelectric element thick inner electrode layers with a thickness of, for example, at least 1.8 .mu.m, preferably at least 2 .mu.m, should be provided in order to reliably avoid the formation of axial cracks in this region, can continue inside the layer stack due to There lower mechanical loads acting thereon are dispensed with a high layer thickness for the inner electrode layers. For example, the inner electrode layers arranged far away from the heavily loaded transition between the active and passive regions can be formed as thin inner electrode layers with a thickness of at most 1.8 micrometers, preferably at most 1.5 micrometers.

Insbesondere können die dünnen Innenelektrodenschichten im Rahmen der technischen Möglichkeiten bei der Fertigung solcher Innenelektrodenschichten mit einer möglichst geringen Schichtdicke hergestellt werden. Eine minimal zu erreichende Schichtdicke kann dabei von den verwendeten Fertigungstechnologien sowie von den verwendeten Materialien abhängen. In particular, the thin inner electrode layers can be produced within the scope of the technical possibilities in the production of such inner electrode layers with the smallest possible layer thickness. A minimum achievable layer thickness may depend on the manufacturing technologies used as well as the materials used.

Beispielsweise kann bei Innenelektrodenschichten, die mittels Siebdruck hergestellt werden, eine minimal zu erreichende Schichtdicke unter anderem von der Art der verwendeten Siebe, den beim Siebdruck verwendeten Druckparametern sowie von der Art der verwendeten Siebdruckpaste abhängen.For example, in the case of internal electrode layers produced by screen printing, a minimum layer thickness to be achieved may depend, inter alia, on the type of screens used, the printing parameters used in screen printing and the type of screen printing paste used.

Insbesondere können die dünnen Innenelektrodenschichten eine um wenigstens 10 Prozent, vorzugsweise wenigstens 20% und stärker bevorzugt zwischen 25 und 50% geringere Dicke aufweisen als die dicken Innenelektrodenschichten. Durch die verringerte Dicke der in den mechanisch weniger beanspruchten Bereichen angeordneten dünnen Innenelektrodenschichten kann eine erhebliche Materialersparnis bei der Fertigung des Piezoelements erreicht werden, ohne dass es dadurch zu einer Gefährdung der langfristigen Funktionsfähigkeit des Piezoelements käme.In particular, the thin inner electrode layers may have a thickness that is at least 10 percent, preferably at least 20 percent and more preferably between 25 and 50 percent smaller than the thick inner electrode layers. As a result of the reduced thickness of the thin inner electrode layers arranged in the mechanically less stressed areas, a considerable saving in material can be achieved in the production of the piezoelement, without thereby jeopardizing the long-term functionality of the piezoelement.

Während ein erfindungsgemäßes Piezoelement wenigstens eine Innenelektrodenschicht aufweisen sollte, die dicker ist als andere Innenelektrodenschichten, wurde erkannt, dass es vorteilhaft sein kann, mehrere solche dicke Innenelektrodenschichten in dem Piezoelement vorzusehen. While a piezoelectric element according to the invention should have at least one inner electrode layer which is thicker than other inner electrode layers, it has been recognized that it may be advantageous to provide a plurality of such thick inner electrode layers in the piezoelectric element.

Damit kann berücksichtigt werden, dass mechanische Spannungen innerhalb des Piezoelements häufig nicht sehr eng lokal begrenzt auf die Umgebung einer einzigen Innenelektrodenschicht auftreten, sondern sich meist über einen Bereich ausdehnen, durch den sich mehrere Innenelektrodenschichten erstrecken. Beispielsweise treten erhöhte mechanische Spannungen nicht ausschließlich direkt am Übergang zwischen dem aktiv anzusteuernden Zentralbereich und dem passiven Randbereich des Piezoelements auf, sondern können sich noch über mehrere angrenzende Schichten hin in axialer Richtung des Piezoelements bemerkbar machen. Somit kann beispielsweise durch ein Beobachten, in welchen Bereichen bei einheitlich hergestellten Piezoelementen mit überall gleicher Schichtdicke der Innenelektrodenschichten Versagensmechanismen auftreten, ermittelt werden, in welchen Bereichen vorzugsweise dicke Innenelektrodenschichten anzuordnen sind, um dort auftretende mechanische Belastungen aufzunehmen, und in welchen Bereichen dünne Innenelektrodenschichten ausreichen.It can thus be taken into account that mechanical stresses within the piezoelectric element frequently do not occur very closely localized to the surroundings of a single internal electrode layer, but rather usually extend over a region through which a plurality of internal electrode layers extend. For example, increased mechanical stresses do not occur exclusively directly at the transition between the central region to be actively controlled and the passive edge region of the piezoelectric element, but can still be noticeable in the axial direction of the piezoelectric element over several adjacent layers. Thus, for example, by observing in which areas in uniformly produced piezoelectric elements with the same layer thickness of the internal electrode layers failure mechanisms occur, it can be determined in which areas preferably thick internal electrode layers are to be arranged, in order to generate mechanical stresses and in which areas thin internal electrode layers are sufficient.

Die vorgeschlagene Ausgestaltung des Piezoelements mit an lokale Erfordernisse angepassten Schichtdicken der Innenelektrodenschichten kann insbesondere für Piezoelemente vorteilhaft sein, deren Innenelektrodenschichten Edelmetall wie beispielsweise teures Palladium oder Silber enthalten. Solche Innenelektrodenschichten können beispielsweise mittels einer Siebdrucktechnologie hergestellt werden.The proposed configuration of the piezoelectric element with layer thicknesses of the inner electrode layers adapted to local requirements may be advantageous, in particular, for piezoelectric elements whose inner electrode layers contain noble metals such as, for example, expensive palladium or silver. Such inner electrode layers can be produced for example by means of a screen printing technology.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Piezoelements können beispielsweise bei einem Piezoaktor, wie er in Kraftfahrzeug-Einspritzsystemen für Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird, eingesetzt werden.Embodiments of the piezoelectric element according to the invention can be used for example in a piezoelectric actuator, as used in motor vehicle injection systems for internal combustion engines.

Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Vorteile und Merkmale von erfindungsgemäßen Piezoelementen hierin mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen von Piezoelementen beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise ausgetauscht und/oder kombiniert werden können, um zu weiteren Ausführungsformen und eventuell damit verbundenen Synergieeffekten gelangen zu können. It should be noted that possible advantages and features of piezo elements according to the invention are described herein with reference to various embodiments of piezo elements. A person skilled in the art will recognize that the features described can be exchanged and / or combined in a suitable manner in order to be able to arrive at further embodiments and any associated synergy effects.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which neither the description nor the drawings are to be construed as limiting the invention.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein herkömmliches Piezoelement. 1 shows a cross section through a conventional piezoelectric element.

2 veranschaulicht einen Versagensmechanismus in einem Piezoelement. 2 illustrates a failure mechanism in a piezo element.

3 zeigt einen Querschnitt durch ein Piezoelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows a cross section through a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in den Figuren auf gleiche oder gleich wirkende Merkmale.The figures are only schematic and not to scale. Like reference numerals refer to the same or equivalent features in the figures.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Piezoelement 1 in Form eines Piezoaktors. Das Piezoelement 1 besteht aus einer Vielzahl von piezokeramischen Schichtelementen 3, die entlang einer Längsachse 9 des Piezoelements 1 übereinander gestapelt sind. Zwischen zwei benachbarten piezokeramischen Schichtelementen 3 ist jeweils eine Innenelektrodenschicht 7 aus einem elektrisch leitfähigen Material zwischengelagert. 1 shows a cross section through a piezoelectric element 1 in the form of a piezoelectric actuator. The piezo element 1 consists of a large number of piezoceramic layer elements 3 along a longitudinal axis 9 of the piezoelectric element 1 stacked on top of each other. Between two adjacent piezoceramic layer elements 3 each is an internal electrode layer 7 stored in an electrically conductive material.

Die Innenelektrodenschichten 7 sind dabei abwechselnd mit zwei verschiedenen Außenelektroden 5a, 5b verbunden, so dass jede zweite Innenelektrodenschicht 7 mit einer ersten Außenelektrode 5a verbunden ist und die alternierend dazwischen liegenden Innenelektrodenschichten 7 mit einer zweiten Außenelektrode 5b verbunden sind. Jede der Innenelektrodenschichten 7 erstreckt sich dabei annähernd über die gesamte Breite b des Stapels des Piezoelements 1 und endet, ausgehend von einer der Außenelektroden 5a, 5b, kurz vor einer gegenüberliegenden Außenelektrode 5b, 5a.The inner electrode layers 7 are alternating with two different external electrodes 5a . 5b connected so that every other inner electrode layer 7 with a first outer electrode 5a is connected and the alternating intermediate internal electrode layers 7 with a second outer electrode 5b are connected. Each of the inner electrode layers 7 extends approximately over the entire width b of the stack of the piezoelectric element 1 and ends, starting from one of the outer electrodes 5a . 5b , just before an opposite outer electrode 5b . 5a ,

Die Innenelektrodenschichten 7 sind dabei innerhalb eines aktiv anzusteuernden Zentralbereichs 11 des Piezoelements 1 angeordnet. Innerhalb dieses Bereichs kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Außenelektroden 5a, 5b jeweils eine elektrische Spannung an die mit den Innenelektrodenschichten 7 flächig in Kontakt stehenden piezokeramischen Schichtelemente 3 angelegt werden. Aufgrund dieser elektrischen Spannung verformen sich die piezokeramischen Schichtelemente 3 und ändern dabei insbesondere die Abmessung des Piezoelements 1 in Richtung der Längsachse 9 aufgrund einer durch die angelegte elektrische Spannung induzierten Dickenänderung der piezokeramischen Schichtelemente 3 innerhalb des Zentralbereichs 11.The inner electrode layers 7 are within an active central area 11 of the piezoelectric element 1 arranged. Within this range, by applying an electrical voltage between the outer electrodes 5a . 5b in each case an electrical voltage to the with the inner electrode layers 7 flat piezoceramic layer elements in contact 3 be created. Due to this electrical voltage, the piezoceramic layer elements deform 3 and in particular change the dimension of the piezoelectric element 1 in the direction of the longitudinal axis 9 due to an induced by the applied electrical voltage change in thickness of the piezoceramic layer elements 3 within the central area 11 ,

In passiven Randbereichen 13 an den längsaxialen Enden des Piezoelements 1 sind bei dem in 1 dargestellten Beispiel keine Innenelektrodenschichten 7 vorgesehen. Alternativ können in einem solchen Randbereich 13 zwar Innenelektrodenschichten vorgesehen sein, diese sind jedoch nicht mit einer Außenelektrodenschicht verbunden oder werden während des Betriebs des Piezoaktors zumindest nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt. In einem solchen passiven Randbereich 13 kommt es somit während des Betriebs des Piezoaktors nicht zu einer elektrisch induzierten Verformung.In passive border areas 13 at the longitudinal axial ends of the piezoelectric element 1 are at the in 1 Example shown no internal electrode layers 7 intended. Alternatively, in such a border area 13 Although inner electrode layers may be provided, however, these are not connected to an outer electrode layer or are at least not subjected to an electrical voltage during operation of the piezoelectric actuator. In such a passive border area 13 Thus, during operation of the piezoelectric actuator does not result in an electrically induced deformation.

Wie in 2 schematisch dargestellt, wurden bei herkömmlichen Piezoelementen 1, bei denen alle Innenelektrodenschichten 7 mit derselben Schichtdicke hergestellt wurden, Schädigungen 15 in Form von spannungsbedingten Rissen insbesondere in einem Bereich nahe einem Übergang 17 zwischen einem passiven Randbereich 13 und einem aktiv anzusteuernden Zentralbereich 11 des Piezoelements 1 beobachtet. Als Ursache für die Bildung solcher Schädigungen 15 werden lokale mechanische Spannungszustände im Bereich dieser Übergänge 17 in Verbindung mit einer zu geringen Innenelektrodenschichtdicke beziehungsweise -kontinuität, beispielsweise aufgrund von zu niedrigem Pastenübertrag beim Siebdrucken solcher Innenelektrodenschichten, vermutet.As in 2 shown schematically were in conventional piezo elements 1 in which all internal electrode layers 7 were produced with the same layer thickness, damage 15 in the form of stress cracks, especially in an area near a transition 17 between a passive border area 13 and an active central area 11 of the piezoelectric element 1 observed. As a cause for the formation of such damage 15 become local mechanical stress states in the range of these transitions 17 in conjunction with too low internal electrode layer thickness or continuity, for example, due to too low a paste transfer during screen printing such internal electrode layers, suspected.

3 zeigt ein Piezoelement 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieses Piezoelement 1 weist jeweils in der Nähe der Übergänge 17 zwischen dem aktiv anzusteuernden Zentralbereich 11 und den beiden passiven Randbereichen 13 an den axialen Enden des Piezoelements 1 dicke Innenelektrodenschichten 7a auf, wohingegen fern dieser Übergänge 17 und somit näher zur Mitte des aktiv anzusteuernden Zentralbereichs 11 dünne Innenelektrodenschichten 7b vorgesehen sind. 3 shows a piezo element 1 according to an embodiment of the present invention. This piezo element 1 points each near the transitions 17 between the active central area 11 and the two passive peripheral areas 13 at the axial ends of the piezoelectric element 1 thick inner electrode layers 7a whereas, far from these transitions 17 and thus closer to the center of the active central area 11 thin inner electrode layers 7b are provided.

Eine Dicke der dicken Innenelektrodenschichten 7a ist dabei ausreichend groß gewählt, damit diese den lokal auftretenden erhöhten Belastungen im Bereich dieses Übergangs 17 zwischen dem einen unteren Randbereich 13 bildenden Fuß des Piezoelements und dem Zentralbereich 11 beziehungsweise dem einen oberen Randbereich 13 bildenden Kopf des Piezoelements und dem angrenzenden Zentralbereich 11 standhalten beziehungsweise kompensieren zu können. A thickness of the thick inner electrode layers 7a is chosen to be sufficiently large, so that these locally occurring increased loads in the area of this transition 17 between the one lower edge area 13 forming foot of the piezoelectric element and the central area 11 or the one upper edge region 13 forming head of the piezoelectric element and the adjacent central area 11 be able to withstand or compensate.

Die zwischen diesen dicken Innenelektrodenschichten 7a angeordneten dünnen Innenelektrodenschichten 7b können eine wesentlich dünnere, beispielsweise um mindestens zehn Prozent dünnere, Schichtdicke aufweisen. The between these thick inner electrode layers 7a arranged thin inner electrode layers 7b can have a much thinner, for example at least ten percent thinner, layer thickness.

Eine lokale Erhöhung der Schichtdicke der Innenelektrodenschichten 7 kann bedarfsgerecht an lediglich einem der Randbereiche 13, das heißt, angrenzend oder in der Nähe des Kopfs oder des Fußes des Piezoelements 1, oder an beiden Randbereichen 13 erfolgen. Die Anzahl der mit einer erhöhten Schichtdicke versehenen Innenelektrodenschichten 7a und somit die axiale Ausdehnung des mit dickeren Innenelektrodenschichten 7a versehenen Bereichs des Piezoelements 1 sowie der Grad der Schichtdickenerhöhung kann je nach Bedarfsfall angepasst werden. A local increase in the layer thickness of the inner electrode layers 7 can be tailored to just one of the edge areas 13 that is, adjacent or near the head or foot of the piezoelectric element 1 , or at both edge areas 13 respectively. The number of internal electrode layers provided with an increased layer thickness 7a and thus the axial extent of the thicker internal electrode layers 7a provided region of the piezoelectric element 1 and the degree of layer thickness increase can be adjusted as needed.

Insbesondere können Innenelektrodenschichten 7 nicht nur mit zwei verschiedenen Schichtdicken vorgesehen sein, sondern es können Innenelektrodenschichten mit einer Vielzahl unterschiedlicher Schichtdicken, angepasst an die lokalen Erfordernisse innerhalb des Stapels des Piezoelements 1, vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Schichtdicke der Innenelektrodenschichten 7 quasi-kontinuierlich von Bereichen hoher mechanischer Beanspruchung an den Rändern des Zentralbereichs 11 hin zu dessen weniger beanspruchten Mitte abnehmen.In particular, inner electrode layers 7 not only be provided with two different layer thicknesses, but it can inner electrode layers with a variety of different layer thicknesses, adapted to the local requirements within the stack of the piezoelectric element 1 , be provided. For example, a layer thickness of the inner electrode layers 7 quasi-continuous from areas of high mechanical stress at the edges of the central area 11 decrease to its less stressed center.

Im Inneren des aktiven Zentralbereichs 11, und damit für einen Großteil der piezokeramischen Schichten 7 des Piezoelements 1, kann vorzugsweise eine gegenüber herkömmlich bei Piezoelementen 1 verwendeten Innenelektrodenschichten verringerte Innenelektroden-Schichtdicke eingesetzt werden. Hierfür gibt es nicht zwingend eine beschränkende Untergrenze für die Schichtdicke hinsichtlich einer Bauteilrobustheit oder -zuverlässigkeit. Es kann somit eine dünne Innenelektrodenschicht 7b mit technisch minimal machbarer Schichtdicke unter Beachtung von Anforderungen an die Stromtragfähigkeit der Innenelektrodenschicht 7, wie sie für einen einsatzgemäßen Betrieb des Piezoelements 1 notwendig ist, realisiert werden.Inside the active central area 11 , and thus for much of the piezoceramic layers 7 of the piezoelectric element 1 , may preferably be compared to conventional piezoelectric elements 1 internal electrode layers used reduced internal electrode layer thickness can be used. For this purpose, there is not necessarily a limiting lower limit for the layer thickness in terms of component robustness or reliability. It can thus be a thin inner electrode layer 7b with technically minimum feasible layer thickness, taking into account requirements for current carrying capacity of the internal electrode layer 7 , as for a proper operation of the piezoelectric element 1 is necessary to be realized.

Realisiert werden können Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Piezoelements 1 beispielsweise, indem die Innenelektrodenschichten 7a, 7b mithilfe von Siebdrucktechnologien erzeugt werden und dabei ein Übertrag von viskoser Siebdruckpaste beispielsweise durch angepasste Wahl von Sieben oder Pastentypen oder Siebdruckprozessparametern geeignet beeinflusst wird, um einerseits dicke Innenelektrodenschichten 7a in Randbereichen 13 des das Piezoelement 1 bildenden Stapels und andererseits dünne Innenelektrodenschichten 7b in dessen Zentralbereich 11 auszubilden. Vorteilhaft ist insbesondere die Verwendung von Pasten mit geringer Größe der darin enthaltenen Partikel. Hierdurch ergibt sich ein Potenzial für Elektrodenmaterialeinsparungen und somit erhebliche Kosteneinsparungen bei gleichzeitiger Beibehaltung oder sogar Steigerung der Robustheit und Zuverlässigkeit des Piezoelements 1.Embodiments of the piezoelectric element according to the invention can be realized 1 For example, by the inner electrode layers 7a . 7b be produced using screen printing technologies and thereby a transfer of viscous screen printing paste, for example, by suitable choice of sieves or paste types or screen printing process parameters is suitably influenced, on the one hand thick internal electrode layers 7a in peripheral areas 13 of the piezo element 1 forming stack and on the other hand thin inner electrode layers 7b in its central area 11 train. Particularly advantageous is the use of pastes with a small size of the particles contained therein. This results in a potential for electrode material savings and thus significant cost savings while maintaining or even increasing the robustness and reliability of the piezoelectric element 1 ,

Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die in den Figuren dargestellten Piezoelemente 1 stark vereinfacht mit nur einer geringen Anzahl von piezokeramischen Schichtelementen 3 und dazwischen liegenden Innenelektrodenschichten 7 dargestellt sind. Bei realen Piezoelementen 1 können mehrere hundert solcher piezokeramischer Schichtelemente 3 vorgesehen sein. Jedes der piezokeramischen Schichtelemente 3 sowie jede der dazwischenliegenden Innenelektrodenschichten 7 kann dabei eine Fläche von typischerweise 50 mm² aufweisen, wobei die piezokeramischen Schichtelemente 3 eine Dicke im Bereich von 40 bis 200 Mikrometern aufweisen können, wohingegen die Innenelektrodenschichten 7 typischerweise Dicken im Bereich von 1 bis 5 Mikrometern aufweisen. Finally, it should be noted that the piezo elements shown in the figures 1 greatly simplified with only a small number of piezoceramic layer elements 3 and intervening internal electrode layers 7 are shown. For real piezo elements 1 can several hundred such piezoceramic layer elements 3 be provided. Each of the piezoceramic layer elements 3 as well as each of the intervening internal electrode layers 7 can have an area of typically 50 mm ² , wherein the piezoceramic layer elements 3 may have a thickness in the range of 40 to 200 microns, whereas the internal electrode layers 7 typically have thicknesses in the range of 1 to 5 microns.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007049145 A1 [0004]

Claims

Piezo element ( 1 ) with a stack of several piezoceramic layer elements ( 3 ) and a plurality of each between two adjacent piezoceramic layer elements ( 3 ) arranged inner electrode layers ( 7 ), characterized in that some of the internal electrode layers ( 7 ) as thin inner electrode layers ( 7b ) are formed with a smaller layer thickness than other of the internal electrode layers provided in the stack ( 7 ), which are used as thick internal electrode layers ( 7a ) are formed.

Piezoelectric element according to claim 1, wherein an inner electrode layer (11) located closer to the edge of the stack ( 7 ) as a thick inner electrode layer ( 7a ) is formed and has a greater layer thickness than a closer to the center of the stack arranged thin inner electrode layer ( 7b ).

A piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein an internal electrode layer ( 7 ), which are close to a transition ( 17 ) of the stack between an active area to be controlled ( 11 ) and a passive border area ( 13 ) is arranged as a thick inner electrode layer ( 7a ) is formed and has a greater layer thickness than a thin inner electrode layer ( 7b ), which are far from such a transition ( 17 ) in the active central area ( 11 ) is arranged.

Piezoelectric element according to one of claims 1 to 3, wherein a thick internal electrode layer ( 7a ) has a thickness of at least 1.8 microns.

A piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4, wherein a thin inner electrode layer ( 7b ) has a thickness of 1.8 microns highest.

A piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5, wherein a thin inner electrode layer ( 7b ) has a thickness at least 10% smaller than a thick inner electrode layer ( 7a ).

Piezoelectric element according to one of claims 1 to 6, which comprises a plurality of thick internal electrode layers ( 7a ) having.

Piezoelectric element according to one of Claims 1 to 7, the inner electrode layers ( 7 ) Contain precious metal.

Piezoelectric element according to one of claims 1 to 8, wherein the internal electrode layers ( 7 ) are produced by means of a screen printing technology.

Piezoelectric actuator for a motor vehicle injection system, comprising a piezoelectric element ( 1 ) according to one of claims 1 to 9.