DE10328374A1

DE10328374A1 - Piezoelektrisches Bauteil mit elektrischen Anschlusselementen und Verwendung des Bauteils

Info

Publication number: DE10328374A1
Application number: DE10328374A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-02-03
Also published as: WO2004114424A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein piezoelektisches Bauteil (1) mit mindestens einem Piezoelement (10), das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht (13, 24) aufweist, und mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen (30, 31) zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements, wobei mindestens eines der Anschlusselemente Kohlenstoff-Fasern aufweist. Diese Kohlenstoff-Fasern weisen Kohlenstoff-Nanoröhren (33) auf, die sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Elastizität auszeichnen. Es resultiert ein flexibles Anschlusselement. Das piezoelektrische Bauteil ist insbesondere ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper (20) in monolithischer Vielschichtbauweise. Mithilfe des flexiblen Anschlusselements können Polungsrisse des Aktorkörpers zuverlässig elektrisch überbrückt werden. Damit sind Zyklenzahlen von über 10·9· möglich, so dass der Piezoaktor in der Automobilindustrie zur Betätigung des Einspritzventils eines Motors verwendet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrischen Bauteil mit mindestens einem Piezoelement, das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist, und mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements, wobei mindestens eines der Anschlusselemente Kohlenstoff-Fasern aufweist. Die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschichten des Piezoelements sind derart miteinander verbunden, dass durch eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in die piezoelektrische Schicht eingekoppelt wird. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht und damit zur Auslenkung des Piezoelements. Neben dem Bauteil wird eine Verwendung des Bauteils angegeben.

Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor. Der piezoelektrische Aktor besteht beispielsweise aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen. Ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise geht beispielsweise aus der US 6 236 146 B1 hervor. Bei dem Piezoaktor ist eine Vielzahl von Elektrodenschichten, die als Innenelektroden bezeichnet werden, und piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam zu dem monolithischen Aktorkörper gesintert. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind benachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. An diesen Oberflächenabschnitten weist der Aktorkörper jeweils eine streifenförmige Metallisierung auf.

Im Bereich der beschriebenen Oberflächenabschnitte ist jedes der Piezoelemente piezoelektrisch inaktiv. Aufgrund der abwechselnden Führung der Elektrodenschichten an die Oberflächenabschnitte wird in einen piezoelektrisch inaktiven Bereich der Piezokeramikschicht ein elektrisches Feld eingekoppelt, das sich deutlich von dem elektrischen Feld unterscheidet, das in einen piezoelektrisch aktiven Bereich der Piezokeramikschicht eingekoppelt wird. Der piezoelektrisch aktive Bereich der Piezokeramikschicht befindet sich zwischen den Elektrodenschichten des Piezoelements. Bei der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten, also beim Polarisieren und/oder im Betrieb des Piezoaktors, kommt es aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder zu unterschiedlichen Auslenkungen der Piezokeramikschicht im piezoelektrisch aktiven Bereich und im piezoelektrisch inaktiven Bereich. Als Folge davon treten mechanische Spannungen im Piezoelement auf, die zu einem sogenannten Polungsriss quer zur Stapelrichtung führen können. Dieser Polungsriss kann sich in die an dem Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers angebrachte Metallisierung fortsetzen. Dies führt zu einem Unterbrechen der elektrischen Kontaktierung zumindest eines Teils der Elektrodenschichten des Aktorkörpers.

Damit ein vorhandener Polungsriss im Aktorkörper nicht zu einem Ausfall des Piezoaktors führt, ist bei dem bekannten Piezoaktor an jeder der Metallisierungen ein Anschlusselement in Form einer flexiblen, elektrischen Kontaktfahne angebracht. Die Kontaktfahne ist beispielsweise eine Metallfolie aus Kupfer. Die Kontaktfahne ist über eine ihrer Kanten entlang einer Höhe des Aktors derart an eine Metallisierung des Aktorkörpers angebracht, dass ein vom Aktorkörper abstehender Bereich der Kontaktfahne verbleibt. Die Kontaktfahne ist so angebracht, dass sich ein in die Metallisierung erstreckender Polungsriss in die Kontaktfahne ausbreiten kann. Die Kontaktfahne ist aber derart ausgestaltet, dass die Rissbildung in der Kontaktfahne zum Stillstand kommt. Durch die Kontaktfahne kann daher ein Polungsriss elektrisch überbrückt werden. Somit ist gewährleistet, dass die Elektrodenschichten des Aktorkörpers trotz Auftreten eines Polungsrisses elektrisch kontaktiert bleiben.

Der bekannte Piezoaktor wird beispielsweise zur Ansteuerung eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Für diesen Einsatz wird von der Automobilindustrie eine Zyklenzahl von über 10⁹ gefordert. Innerhalb eines Zykluses kommt es durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten zur Expansion und Kontraktion des Aktorkörpers. Es hat sich aber gezeigt, dass trotz der elektrischen Überbrückung mit Hilfe der flexiblen Kontaktfahne eine Zyklenzahl von über 10⁹ nicht zuverlässig erreicht werden kann.

Zur Erhöhung der Zyklenzahl des beschriebenen Piezoaktors geht aus der US 6 307 306 ein elektrisches Anschlusselement mit einem Drahtgeflecht hervor. Das Drahtgeflecht besteht beispielsweise aus Stahl-Drähten, die über eine hohe Elastizität bzw. Belastbarkeit verfügen. Alternativ dazu kann das Drahtgeflecht aus Kohlenstoff-Fasern bestehen. Diese Kohlenstoff-Fasern zeichnen sich durch eine gute elektrische Leitfähigkeit bei einer geringen Materialermüdung im Dauerbetrieb aus.

In der Veröffentlichung Carbon Nanotubes, Topics Appl. Phys. 80 (2001), Seiten 391–425 werden Kohlenstoff-Fasern in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes) vorgestellt. Derartige Kohlenstoff-Fasern haben einen Röhrendurchmesser im Nanometerbereich. Die Kohlenstoff-Nanoröhren zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Elastizität und damit Flexibilität aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Piezoaktor bereitzustellen, der über ein im Vergleich zum bekannten Stand der Technik zuverlässigeres Anschlusselement zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers verfügt.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem Piezoelement, das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist, und mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements angegeben, wobei mindestens eines der Anschlusselemente Kohlenstoff-Fasern aufweist. Das piezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Fasern Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen.

Die Kohlenstoff-Nanoröhren weisen einen Röhrendurchmesser auf, der von wenigen nm bis hin zu 100 nm reicht. Eine Röhrenlänge der Kohlenstoff-Nanoröhren kann bis hin zu mehreren mm betragen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren liegen als einwandige Nanoröhren (Single Walled Nanotubes, SWNTs) oder mehrwandige Nanoröhren (Multi Walled Nanaotubes, MWNTs) vor.

Die Kohlenstoff-Nanoröhren weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf, die mit der von Metallen vergleichbar ist. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine sehr hohe Elastizität aus. Dadurch ist mit Hilfe der Kohlenstoff-Nanoröhren ein flexibles elektrisches Anschlusselement mit einer hohen Stromtragfähigkeit zugänglich. Trotz Auslenkung des Piezoelements und der damit hervorgerufenen mechanischen Beanspruchung des Anschlusselements ist mit Hilfe der Kohlenstoff-Nanoröhren für eine zuverlässige Kontaktierung der Elektrodenschichten des Piezoelements gesorgt.

Mit einem derart flexiblen Anschlusselement gelingt es insbesondere, die eingangs angesprochenen Polungsrisse in einem Aktorkörper zuverlässig elektrisch zu überbrücken. Die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall des Piezoaktors aufgrund vorhandener Polungsrisse ist deutlich reduziert.

Die Kohlenstoff-Nanoröhren können vereinzelt vorliegen. Denkbar ist auch, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren zu mindestens einem Faserbündel miteinander verbunden sind. Das Faserbündel besteht aus mehreren, einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren. Die Kohlenstoff-Nanoröhren sind dabei im Wesentlichen entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung ausgerichtet und mit Hilfe eines Verbindungsmittels miteinander verbunden. Das Verbindungsmittel ist beispielsweise eine Umwicklung oder eine Umhüllung der Kohlenstoff-Nanoröhren.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Kohlenstoff-Nanoröhren zu einem Fasergewebe miteinander verbunden. Die Kohlenstoff-Nanoröhren bzw. Faserbündel aus den Kohlenstoff-Nanoröhren sind miteinander verwoben oder verflechtet. Beispielsweise ist das Fasergewebe ein Vlies aus Kohlenstoff-Nanoröhren. Das Fasergewebe zeichnet sich, wie die Kohlenstoff-Nanoröhren selbst, durch eine hohe Elasitzität bzw. Flexibilität aus. Da sich die Kohlenstoff-Nanoröhren in dem Fasergewebe gegenseitig berühren, ist die elektrische Kontaktierung über das Fasergewebe hinweg gewährleistet.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das Anschlusselement ein Verbundmaterial auf, das zusammen mit den Kohlenstoff-Nanoröhren einen Verbundwerkstoff bildet. Das Verbundmaterial fungiert als Matrix, in die die Kohlenstoff-Nanoröhren eingebettet sind. Dabei kann das Verbundmaterial auch in den Hohlräumen der Kohlenstoff-Nanoröhren eingelagert sein. Auf diese Weise lassen sich die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren und damit die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoff beeinflussen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren eignen sich besonders zur Anwendung in einem Verbundwerkstoff, da sie relativ einfach modifiziert werden können. An den Außenwänden der Kohlenstoff-Nanoröhren können funktionelle Gruppen, beispielsweise hydrophile oder hydrophobe Gruppen, gebunden werden. Dadurch kann eine Mischbarkeit und/oder eine Stärke des Verbundes aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Verbundmaterial beeinflusst werden.

Das Verbundmaterial kann ein elektrisch leitendes oder ein elektrisch nicht leitendes Material sein. Beispielsweise sind die Kohlenstoff-Nanoröhren in eine flexible, elektrisch leitende Folie aus einem Metall eingebettet. Der Verbundwerkstoff besteht aus dem Metall und den Kohlenstoff-Nanoröhren. Das Metall bildet eine Matrix für die Kohlenstoff-Nanoröhren. Durch die Einlagerung der Kohlenstoff-Nanoröhren in die Metallfolie wird eine Flexibilität der Metallfolie erhöht. Gleichzeitig bleibt aber die elektrische Leitfähigkeit der Metallfolie weitgehend erhalten. Beispielsweise ist die Metallfolie eine Kupferfolie. Eine derartige Folie kann ausgehend von einem Fasergewebe aus Kohlenstoff-Nanoröhren durch elektrochemisches Abscheiden von Kupfer an den Kohlenstoff-Nanoröhren erzeugt werden. Alternativ dazu können Kohlenstoff-Nanoröhren oder ein Fasergewebe aus den Kohlenstoff-Nanoröhren auf eine Trägerfolie aus Kunststoff gelegt werden. Auf den Kohlenstoff-Nanoröhren wird danach in einem Dampfabscheideverfahren, beispielsweise CVD (Chemical Vapour Deposition) oder PVD (Physical Vapour Deposition) das Metall abgeschieden. Dabei bildet sich die Matrix aus dem Metall.

Das Verbundmaterial kann auch ein Dielektrikum sein. Das Dielektrikum ist beispielsweise ein elektrisch isolierender Kunststoff. Dieser Kunststoff bildet eine polymere Matrix, in die die Kohlenstoff-Nanoröhren eingebettet sind. Der Verbundwerkstoff besteht aus dem Kunststoff und den Kohlenstoff-Nanoröhren. Um eine elektrische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs zu gewährleisten, ist ein entsprechend hoher Füllgrad der Kohlenstoff-Nanoröhren im Kunststoff nötig. Der Füllgrad der Kohlenstoff-Nanoröhren ist so hoch gewählt, dass eine sogenannte Perkolationsgrenze erreicht oder überschritten ist. Bei der Perkolationsgrenze berühren sich die Kohlenstoff-Nanoröhren gegenseitig. Dadurch ist die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhre zu Kohlenstoff-Nanoröhre und damit über den gesamten Verbundwerkstoff hinweg gewährleistet.

Der Kunststoff kann ein beliebiger thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff sein. Im Hinblick auf die Verwendung des Verbundwerkstoffs in einen Anschlusselement eines piezoelektrischen Bauteils ist der Kunststoff vorzugsweise ein elastomerer Kunststoff. Der elastomere Kunststoff, beispielsweise ein Silikon-Elastomer, zeichnet sich durch eine hohe Elastizität bzw. Flexibilität aus. Durch das Einbetten der Kohlenstoff-Nanoröhren in einen elastomeren Kunststoff bleibt die Flexibilität des Kunststoffs im Wesentlichen erhalten. Gleichzeitig wird aber eine für die Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements notwendige elektrische Leitfähigkeit erzielt.

In einer besonderen Ausgestaltung erstreckt sich mindestens eine der Elektrodenschichten des Piezoelements an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements und ist dort mit dem elektrischen Anschlusselement mit Kohlenstoff-Nanoröhren elektrisch leitend verbunden. Das Piezoelement weist beispielsweise eine quadratische oder rechteckige Grundfläche auf. Der seitliche Oberflächenabschnitt kann sich an einer Ecke des Piezoelements befinden. Dieser Oberflächenabschnitt kann sich auch entlang einer gesamten seitlichen Ausdehnung des Piezoelements erstrecken. Denkbar ist auch, dass der Oberflächenabschnitt von nahezu einer gesamten Seite des Piezoelements gebildet ist.

Zur elektrischen Kontaktierung des Anschlusselements und der Elektrodenschicht ist das elektrische Anschlusselement mit einem elektrischen leitenden Verbindungsmittel am Oberflächenabschnitt des Piezoelements befestigt. Dieses elektrisch leitende Verbindungsmittel ist beispielsweise ein Leitklebstoff. Das Anschlusselement ist mit Hilfe des Leitklebstoffs am Oberflächenabschnitt angeklebt. Der Leitklebstoff weist neben einem Klebstoff ein elektrisch leitendes Material auf. Das elektrisch leitende Material liegt beispielsweise in Form von Kügelchen vor. Größe und Dichte der Kügelchen ist so gewählt, dass eine elektrische Kontaktierung mit einer notwendigen Stromtragfähigkeit gewährleistet ist. Der Leitklebstoff eignet sich zur Befestigung eines Anschlusselements mit einem Fasergewebe aus den Kohlenstoff-Nanoröhren oder mit einem Verbundwerkstoff aus einem Kunststoff und den Kohlenstoff-Nanoröhren.

Bei einem Anschlusselement mit einem Verbundwerkstoff aus einem Metall und den Kohlenstoff-Nanoröhren bietet sich an, als elektrisch leitendes Verbindungsmittel ein Lot zu verwenden. Das Anschlusselement ist an den Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers angelötet.

Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler. Der Biegewandler ist beispielsweise ein sogenannter Bimorph-Biegewandler. Der Biegewandler kann dabei aus mehreren Piezoelementen aufgebaut sein. Die piezoelektrischen Schichten können aus piezoelektrischem Kunststoff, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), oder piezoelektrischer Keramik, beispielsweise Bleizirkonattitanat (Pb(Ti,Zr)O₃, PZT), bestehen.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das piezoelektrische Bauteil ein Vielschichtaktor, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen zu einem stapelförmigen Aktorkörper mit einer Stapelrichtung angeordnet sind. Der Aktorkörper kann aus miteinander verklebten Piezoelementen bestehen. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten der Piezoelemente beispielsweise aus einem piezoelektrischen Kunststoff. Vorzugsweise ist der Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise hergestellt. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik. Die Piezokeramik ist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat. Ein Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ist beispielsweise eine Silber-Palladium-Legierung. Zum Herstellen dieses Aktorkörpers werden keramische Grünfolien mit der Piezokeramik und Elektrodenschichten aus dem elektrisch leitenden Material abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Denkbar ist auch das Stapeln von mit Elektrodenmaterial flächig bedruckten keramischen Grünfolien.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Piezoelemente derart zu dem stapelförmigen Aktor angeordnet, dass benachbarte Piezoelemente eine gemeinsame Elektrodenschicht aufweisen, die Elektrodenschichten der Piezoelemente in Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt sind und mindestens einer der Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers mit einem elektrischen Anschlusselement mit Kohlenstoff-Fasern elektrisch leitend verbunden ist. Wie eingangs beschrieben, kann es in einem solchen Aktorkörper zu Polungsrissen kommen. Durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten kommt es an den Polungsrissen zu besonders großen Auslenkungen. In Folge davon wird das elektrische Anschlusselement mechanisch stark belastet. Daher ist es besonders vorteilhaft, zur Ansteuerung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers das elektrische Anschlusselement mit den flexiblen Kohlenstoff-Nanoröhren zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist hier die Verwendung eines Fasergewebes aus den Kohlenstoff-Nanoröhren. Das Fasergewebe trägt zu einer erhöhten Flexibilität des Anschlusselements bei.

Eine besonders hohe Flexibilität des Anschlusselement bei gleichzeitig effizienter elektrischer Kontaktierung wird dadurch erreicht, dass zumindest ein Teil der Kohlenstoff-Nanoröhren des Anschlusselements im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung des Aktorkörpers ausgerichtet ist. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass Abweichungen von der Querausrichtung um bis zu 45° möglich und zulässig sind. Eine elektrische Kontaktierung der quer zur Stapelrichtung ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren erfolgt beispielsweise durch einen parallel zur Stapelrichtung ausgerichteten und mit den Kohlenstoff-Nanoröhren verbundenen Metallstift. Zum Herstellen eines Anschlusselements mit den ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren werden beispielsweise die Kohlenstoff-Nanoröhren in einem noch nicht oder nur teilweise vernetzten Kunststoff mit entsprechend niedriger Viskosität ausgerichtet. Das Ausrichten der Kohlenstoff-Nanoröhren in dem noch nicht vernetzten Kunststoff erfolgt beispielsweise mechanisch mit Hilfe eines Kamms. Nach dem Ausrichten wird der Kunststoff vernetzt. Es bildet sich eine Matrix aus dem Kunststoff, in die die Kohlenstoff-Nanoröhren im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass bezüglich der Ausrichtung eine Verteilung um die gemeinsame Vorzugsrichtung vorliegt.

In einer besonderen Ausgestaltung weist der Oberflächenabschnitt, der mit dem elektrischen Anschlusselement mit den Kohlenstoff-Nanoröhren elektrisch leitend verbunden ist, eine auf dem Aktorkörper aufgebrachte Metallisierung auf. Die Metallisierung, die aus mehreren Schichten mit unterschiedlichem Material bestehen kann, ist an der Seite des Aktorkörpers mindestens über eine Höhe der zu kontaktierenden Elektrodenschichten aufgetragen. Die Metallisierung sorgt dafür, dass die an dem Oberflächenabschnitt geführten Elektrodenschichten parallel geschaltet sind. Das elektrische Anschlusselement ist an der Metallisierung elektrisch leitend befestigt. Bei einem Aktorkörper, bei dem der zu kontaktierende Oberflächenabschnitt nur an einer Kante des Aktorkörpers vorliegt, wie bei dem eingangs beschriebenen Piezoaktor, liegt die Metallisierung in Form eines relativ schmalen Metallisierungsstreifens vor.

Der zu kontaktierende seitliche Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers kann sich aber auch über nahezu die gesamte seitliche Oberfläche des Aktorkörpers erstrecken. In diesem Fall ist die Metallisierung großflächig an der Seite des Aktorkörpers angebracht. Dabei bietet sich an, das elektrische Anschlusselement großflächig mit der Metallisierung elektrisch und mechanisch zu verbinden. Dazu wird beispielsweise ein Fasergewebe aus den Kohlenstoff-Nanoröhren großflächig auf die Metallisierung aufgeklebt.

Eine großflächige, elektrische Kontaktierung über die Kohlenstoff-Nanoröhren führt zu einem weiteren Vorteil: Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren kann das elektrische Anschlusselement auch als Temperierkörper (Kühlkörper) fungieren. Durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten kommt es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht. Die dabei eingespeiste elektrische Energie geht teilweise in Form von Wärme (Verlustwärme) verloren. Der bei einem Einspritzventil verwendete Piezoaktor mit monolithischem Aktorkörper wird mit einer hohen Repititionsrate angesteuert. Aufgrund der daraus resultierenden relativ hohen Verlustwärme kann sich der Piezoaktor unerwünscht erwärmen. Durch das elektrische Anschlusselement mit den Kohlenstoff-Nanoröhren kann aber die Verlustwärme effizient abgeleitet werden. Dazu ist das Anschlusselement mit einer beliebigen Wärmesenke thermisch leitend verbunden. Die Wahrscheinlichkeit für die unerwünschte Erwärmung des piezoelektrischen Bauteils, beispielsweise eine Erwärmung über die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Materials der piezoelektrischen Schicht, ist deutlich reduziert.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das elektrische Anschlusselement mit den Kohlenstoff-Nanoröhren eine elektrische Kontaktfahne, die derart mit dem Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers verbunden ist, dass ein vom Aktorkörper abstehender Bereich der Kontaktfahne verbleibt. Eine derartige Kontaktfahne ist beispielsweise über einer ihrer Kanten mittels der oben beschriebenen, relativ schmalen Metallisierungsbahn mit den Elektrodenschichten des Aktorkörpers elektrisch leitend verbunden.

Die Kontaktfahne kann dabei nur aus Kohlenstoff-Nanoröhren oder einem Fasergewebe aus den Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen. Denkbar ist auch eine Kontaktfahne mit einer Metallfolie. Die Metallfolie ist beispielsweise eine Kupferfolie. Eine Foliendicke beträgt vorteilhaft 50 μm und weniger. Beispielsweise beträgt die Foliendicke 25 μm. Auf diese Metallfolie können die Kohlenstoff-Nanoröhren aufgebracht sein. Die Metallfolie kann auch aus einem Verbundwerkstoff aus einem Metall und den Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen.

Vorzugsweise ist die Kontaktfahne mehrschichtig. Die Kontaktfahne besteht aus mehreren Schichten. Mindestens eine der Schichten ist elektrisch leitend. Diese elektrisch leitende Schicht wird von den Kohlenstoff-Nanoröhren, einem Fasergewebe mit den Kohlenstoff-Nanoröhren oder einer Metallfolie mit den Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet. Denkbar ist auch eine elektrisch leitende Schicht mit einem elektrisch leitenden Verbundwerkstoff aus einem Kunststoff und den Kohlenstoff-Nanoröhren. Die elektrisch leitende Schicht der mehrschichtigen Kontaktfahne ist auf einer elektrisch nicht leitenden Schicht, beispielsweise einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, aufgebracht. Die elektrisch isolierende Schicht kann als Trägerschicht für die elektrisch leitende Schicht fungieren. Zur elektrischen Isolierung kann die Schicht mit den Kohlenstoff-Nanoröhren auch zwischen zwei Schichten aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet sein.

Zur Weiterkontaktierung des elektrischen Anschlusselements kann ein beliebiger elektrischer Anschluss, beispielsweise ein Bonddraht, vorgesehen sein. Bezüglich des Anschlusselements in Form einer Kontaktfahne ist in einer besonderen Ausgestaltung der abstehende Bereich der Kontaktfahne mit einem starren elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung des Anschlusselements verbunden. Der starre elektrische Anschluss ist beispielsweise ein Metallstift. Über den starren elektrischen Anschluss wird der Piezoaktor mit elektrischer Spannung versorgt. Gerade zwischen dem starren Anschluss und dem Aktorkörper kann es aufgrund der Auslenkung des Aktorkörpers zu mechanischen Spannungen kommen. Die flexiblen Kohlenstoff-Nanoröhren sorgen dafür, dass diese mechanischen Spannungen im elektrischen Anschlusselement weitgehend abgebaut werden.

Das piezoelektrische Bauteil, insbesondere das piezoelektrische Bauteil in Form des Piezoaktors mit monolithischem Aktorkörper wird zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventil einer Brennkraftmaschine verwendet. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Motor eines Personenkraftwagens.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung vorliegende wesentlichen Vorteile:

– Die Kohlenstoff-Nanoröhren führen zu einem flexiblen, dehnbaren elektrischen Anschlusselement eines piezoelektrischen Bauteils.
– Aufgrund der Flexibilität des Anschlusselements können mechanische Spannungen, deren Ursache in der Auslenkung des Piezoelements oder der Piezoelemente des piezoelektrischen Bauteils zu finden sind, effizient abgebaut werden. Dies trifft insbesondere auf piezoelektrische Bauteile mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise zu.
– Das piezoelektrische Bauteil zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. So kann bei einem Piezoaktor mit Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise die Zyklenzahl von 10⁹ zuverlässig erreicht bzw. überschritten werden.
– Durch die sehr gute thermische Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren eignet sich das elektrische Anschlusselement zur effizienten Kühlung des piezoelektrischen Bauteils.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil in Form eines Piezoaktors mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise von der Seite.
2 zeigt ein weiteres piezoelektrisches Bauteil in Form eines Piezoaktors mit einem weiteren Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise von der Seite.
3 zeigt ein Piezoelement eines piezoelektrischen Bauteils im seitlichen Querschnitt.
4A und 4B zeigen jeweils eine mit Elektrodenmaterial bedruckte Grünfolie mit Piezokeramik von oben, die zur Herstellung der Aktorkörper gemäß 1 und 2 verwendet werden.
5A bis 5C zeigen verschiedene Ausführungsformen des Anschlusselements in Form einer elektrischen Kontaktfahne.
6 zeigt einen Ausschnitt einer Kohlenstoff-Nanoröhre von der Seite.
7 zeigt ein Fasergewebe aus Kohlenstoff-Nanoröhren.
Das piezoelektrische Bauteil 1 ist ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise mit einer quadratischen Grundfläche (1 und 2). Bei diesem Aktorkörper 20 ist eine Vielzahl von Piezoelementen 10 entlang der Stapelrichtung 21 übereinander gestapelt und fest verbunden. Ein Piezoelement 10 besteht aus einer piezoelektrischen Schicht 13 aus einer Piezokeramik (3). Die Piezokeramik ist ein Bleizirkonattitanat. Die piezoelektrische Schicht 13 befindet sich zwischen einer Elektrodenschicht 11 und einer weiteren Elektrodenschicht 12 des Piezoelements 10. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten 11 und 12 ist eine Silber-Palladium-Legierung. Die Elektrodenschichten 11 und 12 sind derart an den Hauptflächen der piezoelektrischen Schicht 13 angeordnet, dass durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 11 und 12 ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht 13 erzeugt wird, so dass es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 13 und damit zur Auslenkung des Piezoelements 10 kommt.
Zur elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten 11 und 12 an zwei, elektrisch voneinander isolierte Oberflächenabschnitte 14 und 15 geführt. An diesen Stellen sind die beiden Elektrodenschichten 11 und 12 jeweils mit einem (in 3) nicht dargestellten elektrischen Anschlusselement verbunden. Durch die Führung der Elektroden 11 und 12 an unterschiedliche Oberflächenabschnitte 14 und 15 verfügt jedes Piezoelement 10 über einen piezoelektrisch aktiven Bereich 16 und mindestens zwei piezoelektrisch inaktive Bereiche 17.
Dadurch, dass bei dem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise eine Vielzahl von Piezoelementen 10 übereinander gestapelt sind, kann ein relativ hoher, absoluter Hub entlang der Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 bei einer relativ niedrigen Ansteuerspannung erzielt werden.
Benachbarte Piezoelemente 10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf, so dass im Aktorkörper 20 Elektrodenschichten 22, 23 und piezoelektrische Schichten 24 abwechselnd übereinander angeordnet sind. Zum Herstellen des Aktorkörpers 20 werden keramische Grünfolien 50, die mit Elektrodenmaterial 51 bedruckt sind (4A und 4B), übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Dabei entsteht der Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise.
Die Elektrodenschichten 22 und 23 des Aktorkörpers 20 sind an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 25 und 26 geführt. Gemäß einer ersten Ausführungsform befinden sich die Oberflächenabschnitte 25 und 26 an den Ecken des Aktorkörpers 20 (1). Zum Herstellen eines solchen Aktorkörpers 20 werden keramische Grünfolien mit quadratischen Grundflächen verwendet, die an jeweils einer Ecke 52 frei von Elektrodenmaterial 51 sind (4A). Gemäß einer zweiten Ausführungsform erstrecken sich die Oberflächenabschnitte 25 und 26 über zwei Seiten des Aktorkörpers 20 (2). Zum Herstellen dieses Aktorkörpers 20 werden keramische Grünfolien 50 verwendet, die entlang einer ihrer Kanten 53 frei von Elektrodenmaterial 51 sind.
An den beiden Oberflächenabschnitten 25 und 26 ist jeweils eine Metallisierung 27 und 28 angebracht, so dass die Elektrodenschichten 23 und 24 abwechselnd elektrisch kontaktiert sind. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel befindet sich jeweils eine streifenförmige Metallisierung an den Oberflächenabschnitten 25 und 26 zweier Ecken des Aktorkörpers 20. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Metallisierung auf nahezu den gesamten Seiten des Aktorkörpers 20, die die zu kontaktierenden Oberflächenabschnitte 25 und 26 bilden, großflächig aufgetragen.
An den Metallisierungen ist jeweils ein elektrisches Anschlusselement 30 bzw. 31 mit Kohlenstoff-Nanoröhren 33 elektrisch und mechanisch kontaktiert. Der durchschnittliche Röhrendurchmesser 34 der Kohlenstoff-Nanoröhren 33 beträgt wenige nm. Eine Röhrenlänge der Kohlenstoff-Nanoröhren beträgt wenige mm.
Beispiel 1:
Der Piezoaktor 1 verfügt über einem Aktorkörper 20 gemäß der ersten Ausführungsform (1). Das elektrische Anschlusselement 30 und das weitere elektrische Anschlusselement 31 ist jeweils eine elektrische Kontaktfahne 35. Diese Kontaktfahnen sind zwischen starren elektrischen Anschlüssen in Form von Metallstiften 41 und 42 und der jeweiligen Metallisierung 27 und 28 angeordnet. Jede der Kontaktfahnen 35 ist über eine ihrer Kanten derart mit der entsprechenden Metallisierung 27 und 28 verbunden, dass ein vom Aktorkörper 20 abstehender Bereich 36 vorhanden ist.
Jede der Kontaktfahnen 35 besteht aus einem Fasergewebe 37 aus Kohlenstoff-Nanoröhren 33. Das Fasergewebe 37 ist sowohl an der am jeweiligen Oberflächeabschnitt 25 bzw. 26 aufgetragenen Metallisierung 27 bzw. 28 als auch am jeweiligen starren Metallstift 41 bzw. 42 mit Hilfe eines Leitklebstoffs 29 geklebt.
Beispiel 2:
Im Gegensatz zum vorangegangenen Beispiel besteht jede der Kontaktfahnen 35 des elektrischen Anschlusselements 30 bzw. 31 aus einer Kupferfolie 351 (5A) mit einer Foliendicke von etwa 25 μm. Auf dieser Kupferfolie 351 sind (in 5A nicht dargestellte) Kohlenstoff-Nanoröhren 33 derart angeordnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren 33 nach der Befestigung der Kontaktfahne 35 am Aktorkörper 20 im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 ausgerichtet sind. Die Kupferfolie 351 ist mit Hilfe von Lot 29 sowohl mit dem jeweiligen Oberflächenabschnitt 25 bzw. 26 als auch mit dem starren Metallstift 41 bzw. 42 elektrisch und mechanisch leitend verbunden.
Beispiel 3:
Die Kontaktfahnen 35 der Anschlusselemente 30 und 31 sind jeweils Kupferfolien, in die Kohlenstoff-Nanoröhren 33 eingebettet sind. Die Kupferfolie besteht aus einem Verbundwerkstoff aus Kupfer und den Kohlenstoff-Nanoröhren. Dieser Verbundwerkstoff wird ausgehend von einem Fasergewebe 37 aus Kohlenstoff-Nanoröhren 33 durch elektrochemisches Abscheiden von Kupfer erzeugt.
Beispiel 4:
Die Anschlusselemente 30 und 31 weisen jeweils ene mehrschichtige Kontaktfahne 35 auf. Auf einer als Trägerschicht fungierenden, elektrisch isolierenden Kunststofffolie 352 ist eine elektrisch leitende Schicht 353 mit Kohlenstoff-Nanoröhren 33 aufgetragen (5B). In einer Alternative dazu befindet sich die elektrisch leitende Schicht 353 zwischen zwei Kunststofffolien 352 (5C). Diese Kontaktfahnen 35 sind mit Hilfe eines Leitklebstoffs 29 an die Metallisierung 27 und 28 geklebt.
Beispiel 5
Der Piezoaktor 1 verfügt über einem Aktorkörper 20 gemäß der zweiten Ausführungsform (2). Die zu kontaktierenden Oberflächenabschnitte 25 und 26 erstrecken sich entlang zweier Seiten des Aktorkörpers 20. Auf den großflächigen Metallisierungen 27 und 28 der Oberflächenabschnitte 25 und 26 sind die Anschlusselemente 30 und 31 angebracht. Die Anschlusselemente 30 und 31 weisen jeweils ein Fasergewebe 37 aus Kohlenstoff-Nanoröhren 33 auf. Die Anschlusselemente 30 und 31 sind an die Metallisierung 27 und 28 mit Hilfe eines Leitklebers 29 geklebt.
Beispiels 6:
Im Gegensatz zum vorangegangenen Beispiel besteht jedes der Anschlusselement 30 und 31 aus einem Verbundwerkstoff, der aus einem Kunststoff und Kohlenstoff-Nanoröhren 33 gebildet ist. Der Kunststoff des Verbundwerkstoffs ist ein Silikon-Elastomer Kunststoff. Der Verbundwerkstoff ist großflächig an jeweilige die Metallisierung mit Hilfe eines Leitklebstoffs 29 geklebt.

Claims

Piezoelektrisches Bauteil (1) mit – mindestens einem Piezoelement (10), das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten (11, 12, 23, 24)) und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) angeordnete piezoelektrische Schicht (13, 24) aufweist, und mit – mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen (30, 31) zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) des Piezoelements (10), wobei – mindestens eines der Anschlusselemente (30, 31) Kohlenstoff-Fasern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Fasern Kohlenstoff-Nanoröhren (33) aufweisen.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhren (33) zu einem Fasergewebe (37 miteinander verbunden sind.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Anschlusselement (30, 31) ein Verbundmaterial aufweist, dass zusammen mit den Kohlenstoff-Nanoröhren einen Verbundwerkstoff bildet.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 3, wobei das Verbundmaterial ein elektrisch isolierendes Material ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich mindestens eine der Elektrodenschichten (11, 12, 22, 23) an einen seitlichen Oberflächenabschnitt (14, 15) des Piezoelements (10) erstreckt und dort mit dem elektrischen Anschlusselement (30, 31) mit Kohlenstoff-Nanoröhren elektrisch leitend verbunden ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Form eines Vielschichtaktors, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen (10) zu einem stapelförmigen Aktorkörper (20) mit einer Stapelrichtung (21) angeordnet sind.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die Piezoelemente (10) derart zu dem stapelförmigen Aktorkörper (20) angeordnet sind, dass – benachbarte Piezoelemente eine gemeinsame Elektrodenschicht (22, 23) aufweisen, – die Elektrodenschichten (22, 23) der Piezoelemente in Stapelrichtung (21) des Aktorkörpers (20) abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte (25, 26) des Aktorkörpers (20) geführt sind und – mindestens einer der Oberflächenabschnitte (25, 26) des Aktorkörpers (20) mit einem elektrischen Anschlusselement (30, 31) mit Kohlenstoff-Nanoröhren elektrisch leitend verbunden ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, wobei zumindest ein Teil der Kohlenstoff-Nanoröhren des Anschlusselements (30, 31) im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung (21) des Aktorkörpers (20) ausgerichtet ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Oberflächenabschnitt (25, 26), der mit dem elektrischen Anschlusselement (30, 31) mit den Kohlenstoff-Nanoröhren (33) elektrisch leitend verbunden ist, eine auf dem Aktorkörper (20) aufgebrachte Metallisierung (27, 28) aufweist.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Anschlusselement (30, 31) mit den Kohlenstoff-Nanoröhren (33) eine elektrische Kontaktfahne (35) ist, die derart mit dem Oberflächenabschnitt (25, 26) des Aktorkörpers (20) verbunden ist, dass ein vom Aktorkörper (20) abstehender Bereich (36) der Kontaktfahne (35) vorhanden ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 10, wobei der vom Aktorkörper (20) abstehende Bereich (36) der Kontaktfahne (35) mit einem starren elektrischen Anschluss (41, 42) zur elektrischen Kontaktierung des Anschlusselements (30, 31) verbunden ist.
Verwendung des piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventil einer Brennkraftmaschine.