WO2012055682A1 - Piezoelektrisches bauteil mit kontaktierung - Google Patents

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breaking point
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Harald Johannes Kastl
Christian Reichinger
Christoph Hamann
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Continental Automotive Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric component comprising a stapeiförmigen actuator body, in which in a
  • a plurality of piezoelectric elements and inner electrode layers are arranged alternately.
  • the inner electrode layers are alternately electrically conductively connected to one of two metallizations on an outer side of the stack.
  • the two metallizations are each connected by an electrically conductive contacting means with an electrically conductive electrode structure.
  • piezoelectric components are used, for example, as piezo actuators in fuel injection valves for motor vehicles. It is known that such stapeiförmige actuator body, hereinafter also called piezo stack, for example.
  • Piezostapeln in which the internal electrodes in each case do not extend over the entire cross-sectional area of the piezo stack, there are inactive areas in which the piezoelectric elements arranged therebetween experience no deflections when a voltage is applied.
  • active region of the piezo stack in which each piezoelectric layer between two piezoelectric layers
  • Electrodes is arranged, however, arises by applying a voltage expansion of the piezoelectric element. In the boundary region between this active region and the inactive region, stresses can therefore arise during operation and even during the polarization, which leads to cracks in the piezoelectric elements.
  • the outer metalizations are reinforced, for example, by metallic structures such as wire nets or the like. These are designed, for example, that they cracks in the metallization at any point can bridge and thus a separation of individual
  • Piezo stacks with predetermined breaking points are known for example from DE 10 2004 031 402 AI and DE 10 2004 031 404 AI.
  • the invention is therefore based on the object to provide an improved contact for a piezo stack, which avoids the above problems.
  • a piezoelectric component according to the invention comprises a stack-shaped actuator body, in which in a stacking direction a plurality of piezoelectric elements and
  • Internal electrode layers are arranged alternately.
  • the inner electrode layers are each alternately electrically conductively connected to one of two metallizations on an outer side of the stack.
  • the metallizations are each connected by an electrically conductive contact means with an electrically conductive electrode structure.
  • the stack-shaped actuator body has at least one predetermined breaking point and the metallizations and / or the contacting means has a recess in the region of the at least one predetermined breaking point.
  • the invention is based on the general knowledge that the expansion of the piezo stack when applying a voltage in the interior of the piezo stack largely homogeneous over the length of
  • Piezoelectric component according to the invention with the exception of the range of predetermined breaking points.
  • solder or conductive adhesive is preferably used as contacting agent. Even with a largely flat contact between the electrode structures and the
  • the entire electrode structure is preferably designed to be stretchable or at least flexible.
  • the electrode structure is made stretchable at least in the region of the predetermined breaking points. This offers the advantage that the electrode structure also has a
  • the electrode structure is designed elastically stretchable at least in the region of the predetermined breaking point.
  • a stretchable electrode structure may be, for example, a metallic mesh or a metallic mesh
  • the extensibility can be realized by the shape of the electrode structure connected to a deformability of the material.
  • the stack-shaped actuator body of the piezoelectric component is particularly preferably a monolithically formed piezo stack in which piezoceramic layers and internal electrodes are stacked and sintered to form a block.
  • the contacting of the piezoelectric component according to the invention is particularly advantageous for use in piezoelectric stacks, which have active and inactive areas due to the configuration of the internal electrodes.
  • the piezo stack can also be a fully active stack, in which the inner electrodes cover the entire cross-sectional area of the stack. In such fully active piezo stacks no inactive areas are present, since when applying a voltage, the entire piezoceramic layers are penetrated by the adjacent electrodes of tension and thus experience a deflection.
  • FIG. 1 shows a piezoelectric component according to the invention according to a first embodiment
  • 2 shows a piezoelectric component according to a second embodiment.
  • the piezoelectric component 10 illustrated in FIG. 1 comprises a stack 11 in which piezoelectric elements 12 are stacked alternately with internal electrode layers 13a and 13b.
  • the pile-shaped actuator body 11 is made of the piezoceramic layers 12 with it applied
  • Internal electrode layers 13a and 13b lead to two mutually outer sides of the actuator stack, where they with a
  • Metallization 14a and 14b are electrically connected. On the outside of the surface metallization 14a or 14b, a stretchable electrode structure 15 by a
  • the contacting means 16 attached, wherein the region of the predetermined breaking points 17 of the piezo stack is recessed.
  • the contacting means 16 is, for example, conductive adhesive or solder. Outside the areas of the predetermined breaking points 17 is by this contacting a firm connection between the
  • Electrode structure 15 and the metallization 14 is formed.
  • a separate electrode structure 15 is attached.
  • the electrode structure 15 consists of a wire mesh, which is stretchable at least in the region of the predetermined breaking points.
  • An external electrical voltage can be applied to the electrode structures 15 via connecting elements to the piezoelectric component.
  • the voltage is applied to the individual piezoceramic layers 12 via the internal electrodes 13a and 13b. As a result, learn the individual piezoceramic Layers a change in their thickness, which changes the length of the stack-shaped actuator body.
  • Predetermined breaking points 17 in the actuator body is the change in length on the side surfaces of the actuator stack 11 substantially in the region of the predetermined breaking points 17 instead.
  • the relative change in length on the outer sides in the areas between the predetermined breaking points 17, however, is comparatively low.
  • a strong connection between the electrode wire network 15 and the metallization 14a or 14b can be maintained. Only in the area of
  • Predetermined breaking points 17 is the contacting means 16
  • Figure 2 shows a second embodiment of the
  • Piezoelectric component according to the invention, wherein the same components are provided with the same reference numerals.
  • the laminated body 11 consisting of piezoceramic layers 12 and inner electrodes 13a and 13b and the predetermined breaking points 17, is constructed identically to the laminated body of the first
  • the metallization 14a and 14b is interrupted in the region of the predetermined breaking points 17.
  • the metallization 14a and 14b usually has adhesion promoters, on the one hand ensure the adhesion of the surface metallization on the ceramic stack 11 and on the other hand, the adhesion of solder or conductive adhesive on the
  • Predetermined breaking point 17 has the consequence that also flat or
  • Electrode structure 15 such as a wire mesh or a metallic meander structure can maintain their elasticity, even if solder or conductive adhesive is applied to this. Only if the contact by the solder or the
  • Electrode 15 can be exploited in the region of the predetermined breaking points 17 and the interruption in the surface metallization 14a or 14b can thus be bridged.
  • the piezoelectric component according to the invention thus has a reliable contact for piezoelectric layer elements with a lower rigidity than conventional ones

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Abstract

Ein piezoelektrisches Bauteil umfasst einen stapelförmigen Aktorkörper bei dem in einer Stapelrichtung eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente und Innenelektrodenschichten abwechselnd angeordnet sind, wobei die Innenelektrodenschichten jeweils abwechselnd mit einer von zwei Metallisierungen auf einer Außenseite des Stapels elektrisch leitfähig verbunden sind. Die Metallisierungen sind jeweils durch ein elektrisch leitfähiges Kontaktierungsmittel mit einer elektrisch leitfähigen Elektrodenstruktur verbunden. Der stapelförmige Aktorkörper weist mindestens eine Sollbruchstelle auf und die Metallisierungen und/oder das Kontaktierungsmittel weist im Bereich der mindestens einen Sollbruchstelle eine Aussparung auf.

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches Bauteil mit Kontaktierung
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil umfassend einen stapeiförmigen Aktorkörper, bei welchen in einer
Stapelrichtung eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente und Innenelektrodenschichten abwechselnd angeordnet sind. Dabei sind die Innenelektrodenschichten jeweils abwechselnd mit einer von zwei Metallisierungen auf einer Außenseite des Stapels elektrisch leitfähig verbunden. Die beiden Metallisierungen sind jeweils durch ein elektrisch leitfähiges Kontaktierungsmittel mit einer elektrisch leitfähigen Elektrodenstruktur verbunden.
Derartige piezoelektrische Bauteile kommen beispielsweise als Piezoaktoren in Kraftstoffeinspritzventilen für Kraftfahrzeuge zum Einsatz. Es ist bekannt, dass derartige stapeiförmige Aktorkörper, im Folgenden auch Piezostapel benannt, zur
Rissbildung neigen. Insbesondere bei monolitischen
Piezostapeln, bei welchen sich die Innenelektroden j eweils nicht über die gesamte Querschnittsfläche des Piezostapels erstrecken, gibt es inaktive Bereiche, in denen die dazwischen angeordneten piezoelektrischen Elemente bei Anlegen einer Spannung keine Auslenkungen erfahren. In dem aktiven Bereich des Piezostapels, bei welchem jede piezoelektrische Schicht zwischen zwei
Elektroden angeordnet ist, entsteht dagegen durch Anlegen einer Spannung eine Ausdehnung des piezoelektrischen Elementes. Im Grenzbereich zwischen diesem aktiven Bereich und dem inaktiven Bereich können somit im Betrieb und bereits bei der Polarisierung Spannungen entstehen, welche zu Rissen in den piezoelektrischen Elementen führen.
Solche Risse können sich im Betrieb auf die Metallisierungen an den Seitenflächen des Piezostapels ausbreiten. Um einen Ausfall des Piezostapels zu vermeiden, werden die Außenmetalisierungen beispielsweise durch metallische Strukturen wie Drahtnetze oder ähnliches verstärkt. Diese sind beispielsweise so ausgelegt, dass sie Risse in der Metallisierung an beliebigen Stellen überbrücken können und somit eine Abtrennung einzelner
Teilbereiche des Piezostapels von der Stromversorgung
verhindern .
Neuere Entwicklungen in der Stapelherstellung haben durch die Einführung von Sollbruchstellen dazu geführt, dass die
Piezostapel an definierten Stellen reißen. Dabei werden bei der Stapelherstellung beispielsweise poröse Zwischenschichten vorgesehen, welche bei einer mechanischen Überlastung des Stapels bevorzugt reißen. Durch einen solchen Riss kann der Piezostapel beispielsweise vollständig in zwei Teilstapel getrennt werden. Piezostapel mit Sollbruchstellen sind beispielsweise aus der DE 10 2004 031 402 AI und der DE 10 2004 031 404 AI bekannt.
Bekannte Kontaktierungen, beispielweise mit einem
Drahtgeflecht, welche die in der Außenmetallisierung
auftretenden Risse eines Piezostapels überbrücken können, stellen hohe Anforderungen an die verwendeten metallischen Strukturen und sind dementsprechend teuer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kontaktierung für einen Piezostapel anzugeben, welche die oben genannten Probleme vermeidet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein piezoelekrisches Bauteil gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes piezoelektrisches Bauteil umfasst einen stapeiförmigen Aktorkörper, bei welchem in einer Stapelrichtung eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente und
Innenelektrodenschichten abwechselnd angeordnet sind. Die Innenelektrodenschichten sind jeweils abwechselnd mit einer von zwei Metallisierungen auf einer Außenseite des Stapels elektrisch leitfähig verbunden. Die Metallisierungen sind jeweils durch ein elektrisch leitfähiges Kontaktierungsmittel mit einer elektrisch leitfähigen Elektrodenstruktur verbunden. Der stapelförmige Aktorkörper weist dabei mindestens eine Sollbruchstelle auf und die Metallisierungen und / oder das Kontaktierungsmittel weist im Bereich der mindestens einen Sollbruchstelle eine Aussparung auf.
Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die Ausdehnung des Piezostapels bei Anlegen einer Spannung im Inneren des Piezostapels weitgehend homogen über die Länge des
Piezostapels verteilt ist. Im Außenbereich, d.h. auf den Außenseiten mit den Grundkontaktierungen wird die
Längenausdehnung jedoch durch die Sollbruchstellen im Bereich der Sollbruchstellen konzentriert. Ein Riss des Piezostapels an der Sollbruchstelle kann zu einer Durchtrennung der
Metallisierung führen. Bei einer Längenänderung des
Gesamtstapels werden somit die beiden an die Sollbruchstelle grenzenden Teilbereiche der Außenseiten des Stapels eine vergleichsweise starke relative Verschiebung gegeneinander erfahren. Im Gegenzug dazu ist die relative Längenänderung der Außenseite des Stapels zwischen zwei Sollbruchstellen
vergleichsweise gering.
Dies ermöglicht eine feste Verbindung zwischen der
Metallisierung und den Elektrodenstrukturen bei dem
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauteil mit Ausnahme des Bereichs der Sollbruchstellen. Zur Herstellung einer solchen festen Verbindung wird als Kontaktierungsmittel vorzugsweise Lot oder Leitkleber verwendet. Auch bei einer weitgehend flächigen Kontaktierung zwischen den Elektrodenstrukturen und der
Metallisierung außerhalb des Bereichs der Sollbruchstellen kann diese einer relativ geringen Längenänderung folgen. Vorzugsweise ist hierfür die gesamte Elektrodenstruktur dehnbar oder zumindest flexibel ausgebildet. Vorzugsweise ist die Elektrodenstruktur jedoch zumindest im Bereich der Sollbruchstellen dehnbar ausgestaltet. Dies bietet den Vorteil, dass die Elektrodenstruktur auch eine
vergleichsweise große relative Längenänderung im Bereich der Sollbruchstelle überbrücken kann. Somit kann eine zuverlässige Kontaktierung über die gesamte Stapellänge gewährleistet werden. Besonders bevorzugt ist die Elektrodenstruktur zumindest im Bereich der Sollbruchstelle elastisch dehnbar ausgestaltet. Eine solche dehnbare Elektrodenstruktur kann beispielsweise durch ein metallisches Netz oder eine metallische
Mäanderstruktur ausgebildet sein. Dabei kann die Dehnbarkeit durch die Formgebung der Elektrodenstruktur verbunden mit einer Verformbarkeit des Materials realisiert sein.
Der stapeiförmige Aktorkörper des piezoelektrischen Bauteils ist besonders bevorzugt ein monolithisch ausgebildeter Piezostapel bei welchem piezokeramische Schichten und Innenelektroden gestapelt und zu einem Block gesintert werden. Die Kontaktierung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauteils ist besonders vorteilhaft für die Verwendung in piezoelektrischen Stapeln, welche durch die Ausgestaltung der Innenelektroden aktive und inaktive Bereiche aufweisen. Grundsätzlich kann die Piezostapel jedoch auch ein vollaktiver Stapel sein, bei welchem die Innenelektroden die gesamte Querschnittfläche des Stapels überdecken. Bei derartigen vollaktiven Piezostapeln sind keine inaktiven Bereiche vorhanden, da bei Anlegen einer Spannung die gesamten piezokeramischen Schichten durch die anliegenden Elektroden von Spannung durchsetzt werden und somit eine Auslenkung erfahren.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen schematisch: Figur 1 ein erfindungsgemäßes piezoelektrisches Bauteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; Figur 2 ein piezoelektrisches Bauteil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel .
Das in Figur 1 dargestellte piezoelektrische Bauteil 10 umfasst einen Stapel 11 in welchem piezoelektrische Elemente 12 abwechselnd mit Innenelektrodenschichten 13a und 13b stapelweise angeordnet sind. Der stapeiförmige Aktorkörper 11 ist aus den piezokeramischen Schichten 12 mit darauf aufgetragenen
Elektrodenschichten 13a bzw. 13b und dazwischen angeordneten porösen Zwischenschichten 17 zur Bildung der Sollbruchstellen zu einem monolithischen Block gesintert. Die
Innenelektrodenschichten 13a und 13b führen wechselseitig zu zwei Außenseiten des Aktorstapels, wo sie mit einer
Metallisierung 14a bzw. 14b elektrisch leitend verbunden sind. Auf der Außenseite der Oberflächenmetallisierung 14a bzw. 14b ist eine dehnbare Elektrodenstruktur 15 durch ein
Kontaktierungsmittel 16 befestigt, wobei der Bereich der Sollbruchstellen 17 des Piezostapels ausgespart ist. Das Kontaktierungsmittel 16 ist beispielsweise Leitkleber oder Lot. Außerhalb der Bereiche der Sollbruchstellen 17 ist durch dieses Kontaktierungsmittel eine feste Verbindung zwischen der
Elektrodenstruktur 15 und der Metallisierung 14 gebildet.
An jeder der Metallisierungen 14a und 14b ist eine gesonderte Elektrodenstruktur 15 befestigt.
Die Elektrodenstruktur 15 besteht aus einem Drahtnetz, welches zumindest im Bereich der Sollbruchstellen dehnbar ausgebildet ist. An die Elektrodenstrukturen 15 kann über Anschlusselemente eine äußere elektrische Spannung an das piezoelektrische Bauteil angelegt werden. Über die Innenelektroden 13a und 13b wird die Spannung an die einzelnen piezokeramischen Schichten 12 angelegt. Dadurch erfahren die einzelnen piezokeramischen Schichten eine Änderung ihrer Dicke, wodurch sich die Länge des stapeltörmigen Aktorkörpers verändert. Durch die
Sollbruchstellen 17 im Aktorkörper findet die Längenänderung an den Seitenflächen des Aktorstapels 11 im Wesentlichen im Bereich der Sollbruchstellen 17 statt. Die relative Längenänderung an den Außenseiten in den Bereichen zwischen den Sollbruchstellen 17 ist dagegen vergleichsweise gering. Somit kann eine feste Verbindung zwischen dem Elektrodendrahtnetz 15 und der Metallisierung 14a bzw. 14b aufrecht erhalten werden. Nur im Bereich der
Sollbruchstellen 17 ist das Kontaktierungsmittel 16
unterbrochen, so dass das dehnbare Drahtnetz 15 in diesem Bereich den Hub des Piezostapels elastisch ausgleichen kann.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsvariante des
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauteils, wobei gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Schichtkörper 11 bestehend aus piezokeramischen Schichten 12 und Innenelektroden 13a und 13b sowie den Sollbruchstellen 17, ist identisch aufgebaut wie der Schichtkörper des ersten
Ausführungsbeispiels aus Figur 1. Im Unterschied zum ersten
Ausführungsbeispiel ist hierbei jedoch die Metallisierung 14a und 14b im Bereich der Sollbruchstellen 17 unterbrochen. Die Metallisierung 14a und 14b weist üblicherweise Haftvermittler auf, die einerseits die Haftung der Oberflächenmetallisierung auf dem keramischen Stapel 11 gewährleisten und andererseits die Haftfähigkeit von Lot oder Leitkleber auf der
Metallisierungsschicht ermöglichen. Die Aussparung der
Oberflächenmetallisierung 14a und 14b im Bereich der
Sollbruchstelle 17 hat zur Folge, dass auch flächig bzw.
durchgehend darauf aufgetragenes Lot bzw. Leitkleber in diesem Bereich nicht auf dem keramischen Schichtelement haftet. Somit besteht zwischen der Elektrode 15 und dem Schichtkörper im Bereich der Sollbruchstellen 17 eine Aussparung Die Erfinder haben festgestellt, dass eine dehnbare
Elektrodenstruktur 15, wie beispielsweise ein Drahtnetz oder eine metallische Mäanderstruktur ihre Dehnfähigkeit beibehalten kann, auch wenn Lot oder Leitkleber auf diese aufgetragen ist. Lediglich wenn die Kontaktierung durch das Lot oder den
Leitkleber fest mit der Oberflächenmetallisierung eines keramischen Körpers 11 verbunden ist, ist die Dehnfähigkeit eingeschränkt. Auf diese Weise kann auch bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante die Dehnfähigkeit der
Elektrode 15 im Bereich der Sollbruchstellen 17 ausgenutzt werden und die Unterbrechung in der Oberflächenmetallisierung 14a bzw. 14b kann somit überbrückt werden. Das erfindungsgemäße piezoelektrische Bauteil weist somit eine zuverlässige Kontaktierung für piezoelektrische Schichtelemente mit einer geringeren Steifigkeit auf als herkömmliche
Kontaktierungen. Da die Dehnfähigkeit der Kontaktierung bzw. der Drahtnetzelektrode oder Mäanderstruktur auf die Bereiche der Sollbruchstellen beschränkt sein kann, sind dabei wesentlich einfachere und preisgünstigere Elektrodenstrukturen möglich.

Claims

Ansprüche
1. Piezoelektrisches Bauteil (10), umfassend einen
stapeiförmigen Aktorkörper (11) , bei dem in einer Stapelrichtung eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (12) und
Innenelektrodenschichten (13a/ 13b) abwechselnd angeordnet sind, wobei die Innenelektrodenschichten (13a/13b) jeweils
abwechselnd mit einer von zwei Metallisierungen (14a/14b) auf einer Außenseite des Stapels (11) elektrisch leitfähig verbunden sind, und
die Metallisierungen (14a/14b) jeweils durch ein elektrisch leitfähiges Kontaktierungsmittel (16) mit einer elektrisch leitfähigen Elektrodenstruktur (15) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass der stapeiförmige Aktorkörper (11) mindestens eine Sollbruchstelle aufweist, und die
Metallisierungen (14a/14b) und/oder das Kontaktierungsmittel (16) im Bereich der mindestens einen Sollbruchstelle (17) eine Aussparung aufweist.
2. Piezoelektrisches Bauteil (10) gemäß Anspruch 1,
wobei das Kontaktierungsmittel (16) mit Ausnahme des Bereichs der mindestens einen Sollbruchstelle (17) eine feste Verbindung zwischen den Metallisierungen (14a/14b) und den
Elektrodenstrukturen (15) bildet.
3. Piezoelektrisches Bauteil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Kontaktierungsmittel (16) Lot oder Leitkleber umfasst.
4. Piezoelektrisches Bauteil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Elektrodenstruktur (15) zumindest im Bereich der mindestens einen Sollbruchstelle (17) dehnbar ausgestaltet ist.
5. Piezoelektrisches Bauteil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Elektrodenstruktur (15) ein metallisches Netz oder zumindest teilweise eine metallische Mäanderstruktur aufweist.
6. Piezoelektrisches Bauteil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der stapeiförmige Aktorkörper (11) monolithisch ausgebildet ist.
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