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Es wird ein Vielschichtbauelement mit einer Außenkontaktierung angegeben. Z.B. ist das Bauelement ein Piezoaktor, der zum Betätigen eines Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Alternativ kann das Vielschichtbauelement z.B. ein Vielschichtkondensator oder ein Vielschichtvaristor sein.
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Zur Kontaktierung eines Vielschichtbauelements wird z.B. eine Außenkontaktierung des Vielschichtbauelements mit einer Weiterkontaktierung verlötet.
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Es ist eine Aufgabe, ein Vielschichtbauelement mit einer verbesserten Außenkontaktierung anzugeben.
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Es wird ein Vielschichtbauelement aufweisend einen Grundkörper mit einem Stapel aus dielektrischen Schichten und internen Elektrodenschichten angegeben. Das Vielschichtbauelement weist zudem eine Außenkontaktierung mit Hauptdrähten und Opferdrähten auf, wobei die Hauptdrähte eine höhere Dehnbarkeit aufweisen als die Opferdrähte.
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Unter Dehnbarkeit versteht man die Eigenschaft eines Körpers, unter Krafteinwirkung seine Form zu verändern. Die Dehnbarkeit gibt an, wie weit ein Körper gedehnt werden kann, ohne dass er reißt oder bricht. Insbesondere sind die Hauptdrähte und die Opferdrähte bis zu einer bestimmten Spannung in Stapelrichtung dehnbar. Bezogen auf das Vielschichtbauelement bedeutet die höhere Dehnbarkeit der Hauptdrähte, dass die Hauptdrähte eine stärkere Verformung des Lagenstapels als die Opferdrähte aushalten.
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Der Vorteil einer Außenkontaktierung mit Hauptdrähten, welche eine hohe Dehnbarkeit aufweisen ist, dass diese eventuell auftretende Risse im Grundkörper des Vielschichtbauelements überbrücken kann. Die Opferdrähte hingegen können nach prozesstechnischen Notwendigkeiten ausgewählt werden. Die Opferdrähte können z.B. ein ferromagnetisches Material aufweisen oder aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Aufgrund der ferromagnetischen Eigenschaften kann die Außenkontaktierung während der Herstellung des Vielschichtbauelements an einem Träger fixiert werden, ohne zu verrutschen. Dadurch kann auf die Verwendung eines besonders klebrigen Flussmittels verzichtet werden. Dadurch können Rückstände und Verschmutzungen an der Außenkontaktierung vermieden werden.
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Die Außenkontaktierungen sind vorzugsweise gewebe- oder siebartig ausgebildet. Derartige Außenkontaktierungen haben einen geringen Platzbedarf.
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Vorzugsweise sind die dielektrischen Schichten und die internen Elektrodenschichten entlang einer Stapelrichtung gestapelt. Die Stapelrichtung entspricht vorzugsweise der Längsrichtung des Grundkörpers. Vorzugsweise sind die dielektrischen Schichten und die internen Elektrodenschichten alternierend übereinander gestapelt.
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Die dielektrischen Schichten können ein piezoelektrisches Material aufweisen. Z.B. können die dielektrischen Schichten ein keramisches Material, insbesondere ein piezokeramisches Material aufweisen. Zur Herstellung des Grundkörpers können Grünfolien verwendet werden, auf die zur Bildung von internen Elektrodenschichten z.B. eine Metallpaste aufgebracht wird. Z.B. wird die Metallpaste in einem Siebdruckverfahren aufgebracht.
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Nach dem Aufbringen der Metallpaste werden die Folien vorzugsweise gestapelt, verpresst und gemeinsam gesintert, sodass ein monolithischer Sinterkörper entsteht. Vorzugsweise wird der Grundkörper des Bauelements durch einen monolithischen Sinterkörper gebildet, z.B. durch einen wie oben beschrieben hergestellten Sinterkörper.
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Z.B. ist das Vielschichtbauelement als piezoelektrisches Bauelement, zum Beispiel als Piezoaktor, ausgebildet. Bei einem Piezoaktor dehnen sich beim Anlegen einer Spannung an die internen Elektrodenschichten zwischen den internen Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schichten aus, sodass ein Hub des Piezoaktors erzeugt wird. Das Vielschichtbauelement kann auch als ein anderes Bauelement ausgebildet sein, z.B. als Vielschichtkondensator.
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Die Außenkontaktierung dient vorzugsweise zum Anlegen einer Spannung zwischen in Stapelrichtung benachbarten internen Elektrodenschichten. Z.B. sind zwei Außenkontaktierungen auf gegenüberliegenden Außenseiten des Grundkörpers angeordnet. Vorzugsweise sind die internen Elektrodenschichten in Stapelrichtung abwechselnd mit einer der Außenkontaktierungen elektrisch verbunden und von der anderen Außenkontaktierung elektrisch isoliert.
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Z.B. wird die Elektrodenpaste so aufgebracht, dass die Elektrodenschichten in Stapelrichtung gesehen abwechselnd bis zu einer Außenseite des Stapels reichen und von der gegenüberliegenden Außenseite des Stapels beabstandet sind. Auf diese Weise können die Elektrodenschichten abwechselnd mit einer der Außenkontaktierungen elektrisch verbunden werden.
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Alternativ kann das Vielschichtbauelement ein vollaktives Vielschichtbauelement sein. Bei einem vollaktiven Vielschichtbauelement erstrecken sich die internen Elektrodenschichten über den gesamten Querschnitt des Grundkörpers. Zur abwechselnden Verbindung der internen Elektrodenschichten mit einer Außenkontaktierung werden die internen Elektrodenschichten auf einer Außenseite alternierend mit elektrisch isolierendem Material bedeckt. Vorzugsweise sind die internen Elektrodenschichten in Stapelrichtung abwechselnd mit einer der Außenkontaktierungen elektrisch verbunden und von der anderen Außenkontaktierung elektrisch isoliert.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Hauptdrähte einen größeren Durchmesser auf als die Opferdrähte. Z.B. ist der Durchmesser der Hauptdrähte mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser der Opferdrähte. Die Hauptdrähte weisen z.B. einen Durchmesser von 70µm auf. Die Opferdrähte weisen z.B. einen Durchmesser von 30µm auf.
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Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich die Hauptdrähte und die Opferdrähte im Material. Vorzugsweise weisen die Hauptdrähte ein Material auf, welches eine höhere Dehnbarkeit als das Material der Opferdrähte hat. Die Hauptdrähte und die Opferdrähte können ein metallisches Material aufweisen oder aus einem metallischen Material bestehen. Z.B. können die Hauptdrähte Edelstahl der Sorte 1.4201 oder 1.4310 aufweisen oder aus diesem bestehen. Die Opferdrähte können ein ferromagnetisches Material aufweisen oder aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Z.B. weisen die Opferdrähte Stahl der Sorte 1.0340 auf oder bestehen aus Stahl der Sorte 1.0340.
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Vorzugsweise können die Materialien der Hauptdrähte und der Opferdrähte galvanisiert werden. Dadurch kann eine Beschichtung aufgebracht werden, welche Kupfer, Silber und Zinn enthält. Diese Beschichtung dient der Lötbarkeit der Außenkontaktierung.
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Die ferromagnetischen Eigenschaften der Außenkontaktierung, insbesondere der Opferdrähte, können im Lötprozess zum Fixieren des Drahtgewebes dienen.
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Die Hauptdrähte und die Opferdrähte können während des Betriebs unterschiedlich stark verformt werden. Insbesondere bei unterschiedlichen Durchmessern können Hauptdrähte und Opferdrähte unterschiedlich stark verformt werden. Dadurch werden Hauptdrähte und Opferdrähte unterschiedlich stark mechanisch vorbelastet. Vorzugsweise werden nur die dünneren Opferdrähte verformt. Die dickeren Hauptdrähte werden nicht oder nur geringfügig verformt. Dadurch können die Hauptdrähte eine zuverlässige Durchkontaktierung gewährleisten.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Opferdrähte dazu vorgesehen, beim Überschreiten einer bestimmten Spannung in den Opferdrähten zu reißen.
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Die Opferdrähte reißen bei einer Dehnung von ca. 1 Promille. Bei einer höheren Dehnung setzt die plastische Verformung ein, so dass die Opferdrähte bei einer wiederholten Ausdehnung des Piezostapels leicht reißen.
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Die Hauptdrähte und die Opferdrähte kreuzen sich vorzugsweise in einem Winkel von 90°.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundkörper wenigstens eine Sollbruchstelle auf, welche eine geringere Bruchfestigkeit im Vergleich zu anderen Bereichen des Grundkörpers aufweist. Die Opferdrähte sind vorzugsweise dazu vorgesehen, während des Betriebs des Vielschichtbauelements entlang der wenigstens einen Sollbruchstelle zu reißen.
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In den Sollbruchstellen können sich während des Betriebs des Vielschichtbauelements oder während der Polung des Vielschichtbauelements Risse gezielt ausbreiten. Dadurch kann ein zuverlässiger Betrieb des Vielschichtbauelements gewährleistet werden. Insbesondere kann eine unkontrollierte Ausbreitung von Rissen, welche zu einem Ausfall des Bauelements führen kann, vermieden werden.
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Die Opferdrähte sind dazu ausgebildet, während des Betriebs entlang der wenigstens einen Sollbruchschicht zu reißen. Durch die Hauptdrähte kann ein zuverlässiger Stromfluss über die wenigstens eine Sollbruchstelle hinweg gewährleistet werden. Zwischen zwei Sollbruchschichten kann der Strom durch die Hauptdrähte und Opferdrähte übertragen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Opferdrähte mit der wenigstens einen Sollbruchschicht einen Winkel von 30° <= α <= 60° einschließen. Dadurch kreuzen ausreichend viele Hauptdrähte die Sollbruchstelle, um eventuell auftretende Risse zu überbrücken. Durch eine Änderung des Winkels α kann die Belastung zwischen den Hauptdrähten und den Opferdrähten verschoben werden. Die Belastung der Opferdrähte kann proportional zum Wert von sin2 (α) sein. Vorzugsweise beträgt α = 45°. Bei einer Ausrichtung der Hauptdrähte und Opferdrähte unter einem Winkel von α = 45° kann eine zuverlässige Übertragung des Stroms über die Sollbruchstellen, bzw. über eventuell auftretende Risse, hinweg stattfinden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann Lot die Außenkontaktierung am Grundkörper befestigen.
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Im Bereich zwischen zwei Sollbruchschichten kann der Kontakt zwischen den Hauptdrähten auch durch das Lot gewährleistet sein.
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Im Folgenden wird das Vielschichtbauelement anhand von schematischen Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht des Grundkörpers,
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2 eine Seitenansicht eines Vielschichtbauelements mit einer Außenkontaktierung,
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3 eine Seitenansicht eines weiteren Vielschichtbauelements mit einer Außenkontaktierung.
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1 zeigt einen Grundkörper 1 eines Vielschichtbauelements mit internen Elektrodenschichten 3a, 3b in einer Seitenansicht. Erste interne Elektrodenschichten 3a und zweite interne Elektrodenschichten 3b sind entlang einer Stapelrichtung S alternierend angeordnet. Die internen Elektrodenschichten 3b sind in dieser Seitenansicht nicht sichtbar, jedoch zum besseren Verständnis gestrichelt dargestellt. Die ersten internen Elektrodenschichten 3a erstrecken sich bis zu einer ersten Außenseite des Grundkörpers. Die zweiten internen Elektrodenschichten erstrecken sich bis zu einer zweiten Außenseite des Grundkörpers, welche der ersten Außenseite des Grundkörpers 1 gegenüberliegt.
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2 zeigt ein Vielschichtbauelement in einer Seitenansicht. Der Grundkörper 1 des Vielschichtbauelements kann wie in 1 gezeigt ausgebildet sein. Die internen Elektrodenschichten 3a, 3b sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 2 und 3 nicht dargestellt. Neben den Elektrodenschichten weist der Grundkörper 1 mehrere Sollbruchschichten 6 auf. Die Sollbruchschichten 6 weisen eine reduzierte Bruchfestigkeit gegenüber anderen Bereichen des Grundkörpers 1 auf. Entlang der Sollbruchschichten 6 können sich während des Betriebs oder der Polarisierung des Bauelements Risse gezielt ausbreiten.
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Auf der Außenseite des Grundkörpers 1 ist eine Außenkontaktierung 4a angeordnet. Die Außenkontaktierung 4a dient zur Kontaktierung der internen Elektrodenschichten 3a. Auf einer gegenüberliegenden Außenseite des Grundkörpers 1 ist eine weitere Außenkontaktierung 4b (nicht dargestellt) angeordnet, welche die internen Elektrodenschichten 3b kontaktiert.
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Die Außenkontaktierungen 4a, 4b sind in Form eines Drahtgewebes ausgebildet. Jede Außenkontaktierung 4a, 4b weist Hauptdrähte 5a und Opferdrähte 5b auf. Die Hauptdrähte 5a laufen jeweils parallel zueinander. Die Opferdrähte 5b laufen ebenfalls parallel zueinander. Die Opferdrähte 5b kreuzen die Hauptdrähte 5a unter einem Winkel von 90°. Die Hauptdrähte 5a bilden den Schussdraht des Gewebes und die Opferdrähte 5b bilden den Kettdraht des Gewebes oder umgekehrt. Als Kettdraht bezeichnet man bei einem Gewebe die Drähte in Längsrichtung, und als Schussdraht bezeichnet man die Drähte in Querrichtung.
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Die Hauptdrähte 5a unterscheiden sich von den Opferdrähten 5b in ihrer Dehnbarkeit. Insbesondere weisen die Hauptdrähte 5a eine höhere Dehnbarkeit als die Opferdrähte 5b auf. Die höhere Dehnbarkeit der Hauptdrähte 5a wird erreicht, indem für die Hauptdrähte 5a z.B. ein anderer Durchmesser, ein anderes Material oder ein anderer Kreuzungswinkel relativ zu den Stapelebenen gewählt. Die Hauptdrähte 5a können sich auch in anderen Materialeigenschaften von den Opferdrähten 5b unterscheiden.
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Durch mögliche unterschiedliche Durchmesser der Hauptdrähte 5a und der Opferdrähte 5b werden diese während dem Betrieb des Bauelements unterschiedlich stark verformt und mechanisch vorbelastet. Idealerweise werden nur die Opferdrähte 5b verformt. Dabei reißen die Opferdrähte 5b und werden quasi geopfert. Insbesondere sind die Opferdrähte 5b dazu ausgebildet, während des Betriebs entlang der Sollbruchschichten 6 einzureißen. Die Hauptdrähte 5a gewährleisten dann auch nach vollständigem Abreißen der Opferdrähte 5b eine zuverlässige Kontaktierung des Vielschichtbauelements.
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Die in 2 gezeigte Außenelektrode weist eine Orientierung von 45° auf. Das heißt, dass Hauptdrähte 5a und die Opferdrähte 5b einen Winkel von 45° mit einer Stapelebene einschließen. Z.B. schließen die Hauptdrähte 5a und die Opferdrähte 5b einen Winkel α von 45° mit den Sollbruchschichten 6 ein. Bei einer derartigen Sieborientierung kreuzen ausreichend viele Hauptdrähte 5a eine Sollbruchschicht 6. Dadurch kann ein elektrischer Strom zuverlässig über die Sollbruchschichten 6 hinweg fließen. In den Bereichen zwischen den Sollbruchschichten 6 wird der Strom durch die Hauptdrähte 5a und die Opferdrähte 5b zuverlässig übertragen.
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Durch eine Änderung der Orientierung der Außenkontaktierung kann die Belastung zwischen den Hauptdrähten 5a und den Opferdrähten 5b verschoben werden. Die Belastung der Opferdrähte 5b ist proportional zu sin2 (α), wobei α der Winkel zwischen einem Opferdraht 5b und einer Sollbruchstelle 6 ist.
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3 zeigt z.B. ein Vielschichtbauelement, bei dem die Opferdrähte 5b einen Winkel α von 60° mit den Sollbruchschichten einschließen. Dadurch wird die Belastung für die Opferdrähte 5b gegenüber einem Winkel α von 45° um ca. 50% erhöht, und für die Hauptdrähte 5a um ca. 50% abgesenkt. Allerdings sollte der Winkel α zwischen den Opferdrähten 5b und den Sollbruchschichten 6 nicht zu groß sein, da sonst nur noch wenige Hauptdrähte 5a die Sollbruchstelle 6 kreuzen. Dadurch könnte die Zuverlässigkeit der Kontaktierung beeinträchtigt werden.
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Die Hauptdrähte 5a und die Opferdrähte 5b können galvanisiert sein. Insbesondere können die Hauptdrähte 5a und Opferdrähte 5b eine Beschichtung aufweisen, welche Kupfer, Silber und Zinn enthält. Dadurch ist die Lötbarkeit der Außenkontaktierungen 4a, 4b verbessert. Alternativ kann die Beschichtung bereits das Lot enthalten, so dass eine zusätzliche Lotschicht auf dem Grundkörper 1 nicht notwendig ist. Z. B. kann ausreichend viel Zinn zur Verlötung der Außenkontaktierung 4a, 4b auf den Hauptdrähten 5a und den Opferdrähten 5b abgeschieden sein.
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Die ferromagnetischen Opferdrähte 5b können im Lötprozess zum fixieren des Gewebes dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 2
- piezoelektrische Schicht
- 3a, 3b
- interne Elektrodenschicht
- 4a, 4b
- Außenkontaktierung
- 5a
- Hauptdraht
- 5b
- Opferdraht
- 6
- Sollbruchstelle
- α
- Winkel
- S
- Stapelrichtung orthogonal zu Stapelebenen
