WO2013079291A1 - Piezoelektrisches bauelement und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Piezoelektrisches bauelement und verfahren zur herstellung desselben Download PDF

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WO2013079291A1
WO2013079291A1 PCT/EP2012/072057 EP2012072057W WO2013079291A1 WO 2013079291 A1 WO2013079291 A1 WO 2013079291A1 EP 2012072057 W EP2012072057 W EP 2012072057W WO 2013079291 A1 WO2013079291 A1 WO 2013079291A1
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WO
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film
insulating material
base body
piezoelectric
piezoelectric component
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PCT/EP2012/072057
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French (fr)
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Franz Rinner
Dieter Somitsch
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Epcos Ag
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Publication date
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Priority to US14/362,352 priority patent/US20140368085A1/en
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y10T29/30—Foil or other thin sheet-metal making or treating
    • Y10T29/301—Method
    • Y10T29/302—Clad or other composite foil or thin metal making

Definitions

  • a piezoelectric component which is formed for example as a piezoelectric actuator.
  • a piezoelectric actuator can be used to actuate an injection valve in a
  • the body is at least
  • the enclosure is preferably designed to protect the body.
  • the device is a piezoelectric actuator
  • Injection valve in a motor vehicle formed.
  • the sheath is formed as a moisture barrier, so that the body from the ingress of moisture and from the ingress of harmful
  • the component is designed as a multilayer component.
  • the base body may have a multiplicity of piezoelectric layers lying one above another and electrode layers lying therebetween.
  • the main body is for example as monolithic
  • the base body extends along a longitudinal axis.
  • the main body preferably expands.
  • the expansion direction coincides with a longitudinal axis of the main body.
  • the direction of elongation is preferably the direction along which the main body expands when a tension is applied.
  • the structuring of the film is such that
  • Electrode layers in the stacking direction alternately led to an outside of the body and of the
  • the main body expands in the active region in which adjacent ones
  • Overlap electrode layers off. In the inactive area, the extent is significantly lower or absent.
  • Voltage peaks occur. Such stress peaks can lead to overstretching of the envelope, in particular of the film, and to the formation of a crack in the envelope.
  • the structuring of the film is preferably such
  • the film can be structured in such a way that when the base body is stretched and acts on the covering
  • the structured film is a metallic foil or a metal foil.
  • the film comprises aluminum, in particular, the film may be formed as aluminum foil.
  • the film is preferably sufficiently thin so that it can be wrapped around the main body of the device.
  • the structuring of the film is preferably one
  • the structuring of the film is formed before the film is arranged on the base body of the component, in particular wound around the base body.
  • the film has at least one depression or elevation.
  • the recess or elevation of the film is designed such that when occurring expansion forces in the film, the film in its depression or elevation
  • the depressions or the elevations in the film become shallower when applied tensile forces. At occurring compression forces, the
  • the depression or elevation is spatially extended in a direction perpendicular to the direction of elongation of the component.
  • the depression or elevation extends over an entire side of the base body, in particular over a width of the base body.
  • the depression or elevation runs around the entire circumference of the main body.
  • the base body has a longitudinal axis.
  • Longitudinal axis can coincide with the direction of elongation.
  • the recess is formed, for example, as a groove.
  • the survey is for example designed as a rib.
  • the depression or elevation is designed in such a way that excessive expansion stresses in the film in several spatial directions can be prevented.
  • excessive expansion stresses in the film in several spatial directions can be prevented.
  • Directional strain forces are absorbed by a deformation of the film.
  • the film is designed such that expansion forces both along the longitudinal axis and perpendicular to the longitudinal axis by a
  • the film has a plurality of depressions or elevations.
  • a plurality of depressions or elevations are arranged along the direction of elongation.
  • the depressions or elevations each have the same shape.
  • the elevations are as ribs
  • the film can be a corrugated
  • the surveys can also be wavy, for example, the surveys as
  • the depressions may be formed as wave troughs.
  • at least one area of the film is arranged at an angle between 40 ° and 60 ° to an outer side of the base body.
  • This angle can also be referred to as the opening angle of the area ⁇ area of the film.
  • expansion peaks can be absorbed by a three-dimensional deformation of the film particularly well, without causing stresses in the film.
  • the opening angle is in an undeformed state between 40 ° and 55 °. It has been found that at such an angle, a mechanical load on the film can be kept very low. In particular, one of 45 ° to 50 ° at one in the main body
  • the film is wrapped around the main body of the device.
  • the film may be formed flat prior to the winding process apart from their depressions or elevations and thus extend in a main plane.
  • the film receives only when wrapping the base body adapted to the body shape, such as a
  • the film is so around the body
  • the main body is preferably cylindrical.
  • the base body may have a cuboid shape.
  • the wrapper is multi-layered
  • the film is wound several times around the base body.
  • the films can be arranged one above the other.
  • the layers are stacked one above the other
  • an insulating material is disposed on at least one side of the film.
  • the insulating material is an electrically insulating material.
  • the insulating material comprises an organic material.
  • the insulating material is applied on one side of the film which faces the main body.
  • the insulating material completely fills the space between the film and the main body.
  • the insulating material is arranged in a form-fitting manner on the film and on the base body.
  • the insulating is
  • the insulating material may be present on an outer side of the enclosure.
  • the insulating material is applied such that the enclosure has a smooth outer surface.
  • the insulating material can also be arranged on both sides of the film.
  • the insulating material is preferably elastic
  • the insulating material between the main body and the film is sufficiently thick so that it can distribute occurring strain peaks and does not transfer unchanged to the film.
  • the main body is expanded in one direction and tapers in a direction perpendicular thereto.
  • Opening angle preferably be greater than 45 °.
  • ⁇ is in a range of 0.3 to 0.4.
  • the film has a
  • Attachment area which is arranged over a wider portion of the film and is attached to this area.
  • the film is soldered in its attachment area to the underlying film area.
  • Fastening area is for example of a
  • the component has at least one end piece, which is arranged at one end of the base body.
  • the sheath is preferably attached to the tail.
  • the envelope is continuous and firmly connected to the tail, so that no moisture to the
  • the tail is a ceramic body.
  • the tail is preferably attached to the body,
  • the base body has two end pieces, which at its
  • the sheath is preferably attached to both end pieces such that the sheath is sealed to the end pieces.
  • the tail for example, a metal ring on which the film is attached.
  • the film is firmly connected to the ring along the entire circumference of the ring.
  • the method comprises the steps: A) providing a basic body of the component and
  • the main body may be provided with a passivation material before the film is wound up.
  • the passivation material can be formed from the same material as the insulating material.
  • the insulating material Preferably, the
  • an insulating material as described above is applied to the film.
  • the insulating material is applied to the film before the film is wrapped around the body. In this case, at least one side of the film
  • an edge region of the film which is provided for the outer region of the envelope, is free on at least one side of insulating material.
  • soldering material can be applied to the edge region, so that a soldering of the edge region and thus a sealing of the covering is made possible.
  • the insulating material can be cured before or after winding the film.
  • the insulating material may be applied to the film prior to patterning the film. Thereafter, the film can be structured in three dimensions and the insulating material can be cured. In this way, the insulating material contributes to the preservation of
  • the insulating material can not be removed until after the
  • Structuring of the film can be applied to the film.
  • the insulating material is applied to the film.
  • the insulating material is preferably formed on the base body in such a way that no gaps, in particular no bubbles, are present in the sheath.
  • further insulating material can be applied after attaching the film to the base body.
  • an externally freely accessible outside of the film can be covered with insulating material.
  • the envelope is preferably sealed to the outside.
  • further insulating material is introduced in an edge region of the film.
  • An attachment region of the film which is located at the outermost edge region, is preferably free of insulating material and is attached to an underlying region of the film.
  • a seal can be achieved, in particular in the jacket region of the envelope.
  • the wrapper can be connected to an end piece.
  • FIG. 1 shows a lateral plan view of a piezoelectric
  • Figure 2 shows a detail of a longitudinal section of
  • Figure 3 is a cross section of a piezoelectric
  • FIG. 4 shows a section of a longitudinal section of the envelope of the component from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a longitudinal section of the component from FIG. 3,
  • Figure 6 is a cross section of a piezoelectric
  • FIG. 7 shows a section from the cross section of FIG. 6,
  • FIG. 8 shows a sectionally coated structured film for producing a covering.
  • 1 shows a side elevation view of a Piez ⁇ oelektharis device.
  • the component 1 has a main body 6, which is surrounded by a sheath 4.
  • the main body 6 has
  • the base body 6 is a monolithic sintered body
  • the envelope 3 protects the body 6 from the ingress of moisture and harmful chemicals.
  • the component 1 is a piezoelectric actuator
  • the sheath 3 preferably protects the body 6 from chemicals contained in the fuel.
  • the expansion direction 2 is preferably the direction in which the device 1 when applying a voltage on
  • a valve is actuated by the expansion of the component 1 in the expansion direction 2.
  • the component 1 has a longitudinal axis 3, which in the present case coincides with the direction of expansion 2.
  • the component 1 is designed as a multilayer component.
  • the component 1 has a multiplicity of piezoelectric layers that are stacked along a stacking direction.
  • the stacking direction coincides with the direction of expansion 2.
  • the envelope 4 has a structured film 5.
  • the foil 5 is preferably a metallic foil,
  • the film 5 is helium-tight.
  • the surface of the film 5 is structured. The structuring is like that
  • the structuring of the film 5 prevents tearing of the film 5.
  • FIG. 2 shows a detailed view of a section through the component 1 from FIG. 1 along the longitudinal axis 3.
  • piezoelectric layers 7 and electrode layers 8 are alternating
  • the electrode layers 8 are alternately brought up to an outer side 10 of the main body 6 and spaced from the opposite outer side of the main body 6.
  • base metallizations can be applied on the outside 10 and the opposite outside, each with an electrical
  • the film 5 has elevations 9, which differ from the
  • the elevations 9 give the film 5 a corrugated surface structure.
  • the elevations 9 are formed as ribs which extend perpendicular to the longitudinal axis 3 and parallel to the outer side 10.
  • the elevations 9 each have two opposite
  • Opening angle to the outside 10 is arranged.
  • the opening angle is selected such that when an occurrence of tensile forces along the direction of elongation 2, only the opening angle of the film 5 changes without greater tensions in the film 5 occur. It has been found that here an opening angle in the range of 40 ° to 60 °, in particular in a range of 40 ° to 55 ° is particularly favorable.
  • Example ⁇ example can be structured, the film 5 that extend in different directions strain or
  • the film 5 has an egg cup structure.
  • the surveys can also be at least partially flattened.
  • the elevations are rotationally symmetrical, in particular
  • electrically insulating material 11 arranged.
  • the insulating material 11 is preferably designed such that expansion peaks, which may occur in the formation of cracks in the base body 6, are not transmitted directly to the film 5, but are distributed by the insulating material 11.
  • the insulating material 11 reduces the strain forces occurring on the film 5.
  • the insulating material 11 is elastic.
  • the insulating material 11 is applied on one side 15 of the film 5, which faces the main body 6.
  • the insulating material 11 is adjacent to the film 5 and the
  • the insulating material 11 completely fills the area between the film 5 and the outside of the main body 6.
  • the insulating material 11 may additionally be applied to a side 14 which faces away from the main body 6.
  • the insulating material 11 is applied, for example, on the structured film 5, before the film 5 am
  • the Basic body 6 is arranged.
  • the insulating material 11 can be applied to the structured film 5 in uncured form and cured on the film 5. In this way, the material 11 can adapt to the structuring of the film 5. After curing, the film can be 5
  • the base body 6 for example, be wound around the base body 6 under low pressure or vacuum environment.
  • the base body 6 preferably prevents 6 air bubbles between the film 5 and the outside 10 of the base body occur.
  • Figure 3 shows a cross section of a piezoelectric
  • Figure 4 shows a section of a longitudinal section of the multilayer
  • the multilayer casing 4 has a structured film 5, which can be seen in detail in FIG.
  • the film 5 is structured wave-shaped and has elevations 9, which are similar to the elevations 9 in Figure 2 perpendicular to
  • the film 5 is wound several times around the main body 6.
  • the envelope 4 has a first layer 4a, which is wound directly onto a passivation 16 of the main body 6 and a second layer 4b, which is arranged above the first layer 4a.
  • the film has a third, outermost layer 4c, which over the second layer 4b
  • the layers 4a, 4b have the foil 5.
  • the film 5 is embedded in the insulating material 11.
  • the insulating material 11 is applied to the foil 5 both in the first layer 4a and in the second layer 4b on a side 14 facing away from the base body 6 and on a side 15 facing the base body 6.
  • the multilayer wrapper 4 can be manufactured as follows. An unstructured film 5 is provided, which is then structured, in particular corrugated. Subsequently, an insulating material 11 is applied to both sides 14, 15 of the structured foil 5. Alternatively, the insulating material 11 at least partially before the structuring of the film 5 on the film. 5
  • the insulating becomes
  • the insulating material 11 is applied to the film 5 such that a flat surface of the enclosure
  • the insulating material 11 can fill in the depressions of the structured film 5.
  • this will be on the of
  • the insulating material 11, which is applied to the base body 6 facing side 15 of the film 5, is preferably deformable, so that when
  • Applying the film 5 on the base body can adapt the insulating material 11 to the ground. It can also be provided that various insulating materials are used. For example, for the of
  • the outermost layer 4c of the envelope is glued or soldered to an underlying layer 4b.
  • the insulating material is dried or cured.
  • Envelope for example, applied a further layer to achieve additional protection of the device 1.
  • the further cladding is as
  • FIG. 5 shows a longitudinal section of the component 1 from FIG. 3 and in particular an attachment of the sheath 4 to an end piece 17 of the component 1.
  • the end piece 17 has
  • the end piece 17 serves, for example, for holding the main body 6 and / or for the electrical insulation of the base body 6. Furthermore, electrical connections of the component 1 may be provided in the end piece 17.
  • the component 1 has at both longitudinal ends 6 of the main body 2 such end pieces 17, for example a head part and a
  • the end pieces can be glued to the base body 6.
  • a fastening means for fastening the envelope 4 and in particular for sealing the envelope 4 is provided.
  • the fastening means is designed here as a metal ring 18 which surrounds the end piece 17 in an annular manner.
  • the metal ring 18 is, for example, with the end piece 17th
  • the envelope 4 has a over the base body. 6
  • the edge region 20 has a
  • the sheath 4 of the main body 6 is manufactured in the following manner.
  • the provided with the metal ring 18 tail 17 is on
  • Base body 6 applied a passivation material 16.
  • Material 11 provided film 5 is provided.
  • the film 5 is preferably in an edge region 21, the
  • longitudinal edge portion 20 of the enclosure 4 forms, free of insulating material 11. Instead, in an am
  • this attachment portion 21a of the film 5 is between 2 mm and 5 mm wide.
  • the film 5 is then wound around the base body 6 and around a part of the end piece 17 in such a way that the edge region 21 of the film wraps around a region of the end piece 17.
  • the fastening area 21a of the film 5 coated with solder material 19 comes to lie above the metal ring 18.
  • a possibly existing cavity in an intermediate region 20b of the edge region 20 of the sheath 4, which is arranged on the end piece 17 at the boundary to the main body 6, is filled with a deformable sealing compound 22.
  • the sealing compound 22 may be formed like the insulating material 11.
  • the cavity is completely filled.
  • the film 5 is soldered in its fastening region 21a to the metal ring 18, for example in a reflow soldering process. In this way, a tight and circumferential connection of the enclosure 4 with the end piece 17.
  • the component 1 may have electrical connections (not shown) for electrical contacting of the component 1.
  • the connections are through the
  • the terminals may be provided with a base metallization on the outside 10 of the
  • End piece 17 preferably has a bore through which the connections are guided through the end piece 17 through to the outside.
  • the bore passes through a region of the end piece 17 which extends from the metal ring 18 is enclosed and thus allows a guide of the connections through the interior of the end piece 17 to the outside, without that the enclosure 4, in particular the connection of the film 5 with the metal ring 18, must be interrupted. In this way, a particularly dense enclosure 4 can be achieved.
  • Figure 6 shows a cross section of a piezoelectric
  • Component 1 with a multi-layer enclosure 4 and
  • FIG. 7 shows a detail of the component 1 from FIG.
  • FIG. 8 shows a structured foil 5 which can be used to produce the sheath 4 shown in FIGS. 6 and 7. As can be seen in Figure 8, is a rand clusterer
  • Initial area 5a connects, is provided on both sides 14, 15 with the insulating material 11.
  • Film portion 5b is formed together with the initial portion 5a, the first layer 4a of the sheath 4 (see Figure 7).
  • the film section 5b coated on both sides is followed by another film section 5c, which is provided with the insulating material 11 on only one side.
  • the second layer 4b is essentially formed from this film section 5c (see FIG. 7).
  • the film section 5c is provided only on the side 15 with insulating material 11, which faces the base body 6.
  • Remote body 6 is free of insulating
  • Film section 5c is followed by an end section 5d.
  • the end section 5d is free on both sides of insulating material and forms the shell-side edge region 24 (see FIG. 6).
  • the end portion 5d is provided before the application of the film 5 on the base body 6 with solder material 23 and a flux for a reflow soldering process.
  • the end portion 5c is, for example, between 2 and 5 mm long.
  • the structured and partially coated film 5 shown in FIG. 8 is wound around the base body 6, starting with the single-side coated initial section 5 a.
  • the side 15 provided with insulating material 11 points towards the main body 6.
  • the wrapping is performed under low pressure or vacuum conditions.
  • the end section 5d is soldered to the uncoated outer side of the foil section 5c, so that a solder connection 19 is formed (see FIG. 7).
  • the end portion 5d forms a shell-side mounting portion 24a of the film 5, which is attached to an underlying further portion 26 of the film 5.
  • An overlap region which may not be soldered to the underlying film section 5b in the attachment region 5c of the film, is preferably formed bubble-free on the underlying layer 4b, so that no bubbles in the
  • Coating provided, in particular with an organic coating.
  • the coating may be formed like the insulating material 11.
  • the envelope 4 is sealed both in its longitudinal edge regions 21 and on the lateral surface of the base body 6, preferably as shown in Figures 5 and 7.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Es wird ein piezoelektrisches Bauelement (1) angegeben, das einen Grundkörper (6) umfasst, der zumindest teilweise von einer Umhüllung (4) zum Schutz des Grundkörpers (6) umgeben ist. Die Umhüllung (4) weist eine strukturierte Folie (5) auf. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements (1) angegeben, bei dem ein Grundkörper des Bauelements (1) und eine strukturierte Folie (5) bereitgestellt werden. Anschließend wird die strukturierte Folie (5) um den Grundkörper (6) gewickelt.

Description

Beschreibung
PIEZOELEKTRISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DESSELBEN
Es wird ein piezoelektrisches Bauelement angegeben, das beispielsweise als Piezoaktor ausgebildet ist. Ein Piezoaktor kann zum Betätigen eines Einspritzventils in einem
Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
In der Druckschrift DE 10 2006 006 076 AI ist ein Piezoaktor beschrieben, der eine Umhüllung aufweist. In der Druckschrift US 2010/0180865 AI ist ein Piezoaktor beschrieben, der mit einer mehrlagigen Beschichtung versehen ist.
Es ist eine zu lösende Aufgabe, ein piezoelektrisches
Bauelement anzugeben, das eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. Ferner ist es eine zu lösende Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements anzugeben.
Es wird ein piezoelektrisches Bauelement mit einem
Grundkörper angegeben. Der Grundkörper ist zumindest
teilweise von einer Umhüllung umgeben, die eine strukturierte Folie aufweist. Die Umhüllung ist vorzugsweise zum Schutz des Grundkörpers ausgebildet.
Beispielsweise ist das Bauelement als Piezoaktor,
insbesondere als Piezoaktor zum Betätigen eines
Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug, ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Umhüllung als Feuchtigkeitsbarriere ausgebildet, sodass der Grundkörper vor dem Eindringen von Feuchtigkeit und vor dem Eindringen von schädlichen
Chemikalien geschützt ist. Vorzugsweise ist das Bauelement als Vielschichtbauelement ausgebildet. Insbesondere kann der Grundkörper eine Vielzahl von übereinander liegenden piezoelektrischen Schichten und dazwischen liegenden Elektrodenschichten aufweisen. Der Grundkörper ist beispielsweise als monolithischer
Sinterkörper ausgebildet.
Vorzugsweise erstreckt sich der Grundkörper entlang einer Längsachse. Beim Anlegen einer Spannung zwischen benachbarte Elektrodenschichten dehnt sich der Grundkörper vorzugsweise aus. Beispielsweise fällt die Dehnungsrichtung mit einer Längsachse des Grundkörpers zusammen. Hierbei ist die
Dehnungsrichtung vorzugsweise die Richtung, entlang der sich der Grundkörper beim Anlegen einer Spannung am meisten ausdehnt .
Vorzugsweise ist die Strukturierung der Folie derart
ausgebildet, dass mechanische Spannungen in der Folie gering gehalten werden.
Derartige mechanische Spannungen, insbesondere
Dehnungsspannungen, können beispielsweise bei einer
Ausdehnung des Bauelements beim Anlegen einer elektrischen Spannung auftreten. Weiterhin können mechanische Spannungen beim Auftreten von Rissen im Bauelement, insbesondere von Rissen im Grundkörper, entstehen. Ein Riss kann
beispielsweise bei der Polung des piezoelektrischen
Bauelements oder während des Betriebs des Bauelements auftreten.
Dabei können besonders leicht Risse in einem Grundkörper entstehen, der einen inaktiven Bereich, in dem sich in Stapelrichtung benachbarte Elektrodenschichten nicht
überlappen, aufweist. Beispielsweise sind die
Elektrodenschichten in Stapelrichtung abwechselnd bis zu einer Außenseite des Grundkörpers geführt und von der
gegenüberliegenden Außenseite beabstandet. Beim Anlegen einer Spannung zwischen benachbarte Außenelektroden dehnt sich der Grundkörper im aktiven Bereich, in dem sich benachbarte
Elektrodenschichten überlappen, aus. Im inaktiven Bereich ist die Ausdehnung wesentlich geringer oder nicht vorhanden.
Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung können mechanische Spannungen auftreten. Diese Spannungen können zu einer teilweisen Delaminierung des Bauelements führen. Insbesondere können Risse an der Außenseite des Grundkörpers, insbesondere zwischen benachbarten piezoelektrischen Schichten entstehen. Dabei können an der Außenseite des Grundkörpers lokale
Spannungsspitzen auftreten. Derartige Spannungsspitzen können zu einer Überdehnung der Umhüllung, insbesondere der Folie, und zur Entstehung eines Risses in der Umhüllung führen. Die Strukturierung der Folie ist vorzugsweise derart
ausgebildet, dass die Entstehung von Rissen in der Folie verhindert wird. Beispielsweise können durch die
Strukturierung die in der Folie auftretenden mechanischen Spannungen gering gehalten werden. Insbesondere kann die Folie derart strukturiert sein, dass bei einer Dehnung des Grundkörpers und dabei auf die Umhüllung wirkenden
Dehnungskräften lediglich eine Verformung der Folie auftritt, jedoch mechanische Spannungen in der Folie gering gehalten werden. Somit können in der Folie auftretende Kräfte durch eine Verformung der Folie aufgenommen werden, ohne dass ein Riss in der Folie entsteht. Vorzugsweise ist die strukturierte Folie eine metallische Folie oder eine Metallfolie. Beispielsweise weist die Folie Aluminium auf, insbesondere kann die Folie als Aluminiumfolie ausgebildet sein. Die Folie ist vorzugsweise hinreichend dünn, sodass sie um den Grundkörper des Bauelements gewickelt werden kann.
Die Strukturierung der Folie ist vorzugsweise eine
dreidimensionale Strukturierung der Folie, insbesondere eine Oberflächenstrukturierung der Folie. Vorzugsweise wird die Strukturierung der Folie ausgebildet, bevor die Folie am Grundkörper des Bauelements angeordnet, insbesondere um den Grundkörper gewickelt wird. Vorzugsweise weist die Folie wenigstens eine Vertiefung oder Erhebung auf.
Vorzugsweise ist die Vertiefung oder Erhebung der Folie derart ausgebildet, dass bei auftretenden Dehnungskräften in der Folie die Folie in ihrer Vertiefung oder Erhebung
verformt wird. Beispielsweise werden die Vertiefungen oder die Erhebungen in der Folie bei anliegenden Dehnungskräften flacher. Bei auftretenden Stauchungskräften können die
Vertiefungen bzw. Erhebungen tiefer bzw. höher werden.
Beispielsweise ist die Vertiefung oder Erhebung in einer Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung des Bauelements räumlich ausgedehnt. Vorzugsweise verläuft die Vertiefung oder Erhebung über eine gesamte Seite des Grundkörpers, insbesondere über eine Breite des Grundkörpers. Besonders bevorzugt verläuft die Vertiefung oder Erhebung um den gesamten Umfang des Grundkörpers. In einer Ausführungsform weist der Grundkörper eine Längsachse auf. Beispielsweise erstreckt sich die Vertiefung oder
Erhebung senkrecht zur Längsachse des Grundkörpers. Die
Längsachse kann mit der Dehnungsrichtung zusammenfallen. Die Vertiefung ist beispielsweise als Rille ausgebildet. Die Erhebung ist beispielsweise als Rippe ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vertiefung oder Erhebung derart ausgebildet, dass zu starke Dehnungs- Spannungen in der Folie in mehreren Raumrichtungen verhindert werden können. Insbesondere können in unterschiedliche
Richtungen gerichtete Dehnungskräfte durch eine Verformung der Folie aufgenommen werden. Beispielsweise ist die Folie derart ausgebildet, dass Dehnungskräfte sowohl entlang der Längsachse als auch senkrecht zur Längsachse durch eine
Verformung der Folie kompensiert werden können. Beispiels¬ weise kann die Erhebung oder Vertiefung dellenförmig
ausgebildet sein, insbesondere einen kreisförmigen Umfang aufweisen .
Vorzugsweise weist die Folie eine Mehrzahl von Vertiefungen oder Erhebungen auf.
Beispielsweise sind mehrere Vertiefungen oder Erhebungen entlang der Dehnungsrichtung angeordnet. Vorzugsweise weisen die Vertiefungen oder Erhebungen jeweils die gleiche Form auf. Beispielsweise sind die Erhebungen als Rippen
ausgebildet, die jeweils senkrecht zur Dehnungsrichtung verlaufen können. Somit kann die Folie eine geriffelte
Struktur aufweisen. Die Erhebungen können auch wellenförmig verlaufen, beispielsweise können die Erhebungen als
Wellenberge ausgebildet sein. Die Vertiefungen können als Wellentäler ausgebildet sein. Vorzugsweise ist wenigstens ein Flächenbereich der Folie in einem Winkel zwischen 40° und 60° zu einer Außenseite des Grundkörpers angeordnet.
Dieser Winkel kann auch als Öffnungswinkel des Flächen¬ bereichs der Folie bezeichnet werden. Auf diese Weise können besonders gut Dehnungsspitzen durch eine dreidimensionale Verformung der Folie aufgenommen werden, ohne dass Spannungen in der Folie entstehen. Vorzugsweise ändert sich beim
Auftreten von Dehnungskräften lediglich der Öffnungswinkel. Insbesondere liegt der Öffnungswinkel in einem unverformten Zustand zwischen 40° und 55°. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem derartigen Winkel eine mechanische Belastung der Folie besonders gering gehalten werden kann. Insbesondere hat sich ein von 45° bis 50° bei einem im Grundkörper
entstehenden Polungsriss bewährt.
Vorzugsweise ist die Folie um den Grundkörper des Bauelements gewickelt.
Insbesondere kann die Folie vor dem Wickelvorgang abgesehen von ihren Vertiefungen oder Erhebungen flach ausgebildet sein und somit in einer Hauptebene verlaufen. Vorzugsweise erhält die Folie erst beim Umwickeln des Grundkörpers eine an den Grundkörper angepasste Form, beispielsweise eine
Zylinderform.
Vorzugsweise ist die Folie derart um den Grundkörper
gewickelt, dass wenigstens die Mantelfläche des Grundkörpers vollständig von der Folie umhüllt ist. Der Grundkörper ist vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. Insbesondere kann der Grundkörper eine Quaderform aufweisen. In einer Ausführungsform ist die Umhüllung mehrlagig
ausgebildet. Beispielsweise ist die Folie mehrfach um den Grundkörper gewickelt.
Somit können mehrere Lagen der Folie übereinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Lagen derart übereinander
geordnet, dass keine Luftblasen in der Umhüllung vorhanden sind. Insbesondere kann das Umwickeln der Folie unter
Niederdruck- oder Vakuumbedingungen stattfinden.
In einer Ausführungsform ist auf wenigstens einer Seite der Folie ein isolierendes Material angeordnet. Insbesondere ist das isolierende Material ein elektrisch isolierendes Material. Beispielsweise weist das isolierende Material ein organisches Material auf. Das isolierende
Material muss nicht auf der gesamten Seite der Folie
angeordnet sein, sondern kann auch nur in bestimmten
Bereichen vorhanden sein.
Vorzugsweise ist das isolierende Material auf einer Seite der Folie, die dem Grundkörper zugewandt ist, aufgebracht. Vorzugsweise füllt das isolierende Material den Raum zwischen der Folie und dem Grundkörper vollständig aus. Insbesondere ist das isolierende Material formschlüssig an der Folie und am Grundkörper angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist das isolierende
Material auf einer Seite der Folie angeordnet, die vom
Grundkörper abgewandt ist. Insbesondere kann das isolierende Material auf einer Außenseite der Umhüllung vorhanden sein. Vorzugsweise ist das isolierende Material derart aufgebracht, dass die Umhüllung eine glatte äußere Oberfläche aufweist.
Weiterhin kann das isolierende Material auch beidseitig auf der Folie angeordnet sein.
Das isolierende Material ist vorzugsweise elastisch
ausgebildet. Vorzugsweise ist das isolierende Material zwischen dem Grundkörper und der Folie hinreichend dick, sodass es auftretende Dehnungsspitzen verteilen kann und nicht unverändert auf die Folie überträgt.
Zur Optimierung der Strukturierung der Folie kann
beispielsweise ein globaler Dehnungsansatz verfolgt werden. Dabei wird angenommen, dass das isolierende Material
verformbar und inkompressibel ist, so dass das Volumen des isolierenden Materials konstant ist. Weiterhin soll sich die Folie lediglich verformen, ohne dass eine Dehnung der Folie auftritt. Bei einer Ausdehnung des Grundkörpers wird
einerseits der Grundkörper in einer Richtung ausgedehnt und in einer dazu senkrecht stehenden Richtung verjüngt. Bei diesem Ansatz erweist sich ein Öffnungswinkel von
Flächenbereichen in einer Erhebung, insbesondere einer rippenförmigen Erhebung, in einem Bereich zwischen 48° und 53° als besonders vorteilhaft. Insbesondere sollte der
Öffnungswinkel vorzugsweise größer als 45° sein. Beim
globalen Dehnungsansatz kann der optimale Öffnungswinkel beispielsweise aus den piezoelektrischen Konstanten für die Querdehnung d31 und für die Längsdehnung d33 des Bauelements nach folgender Formel berechnet werden: tan = ^1/(1-η) , mit η = d31/d33. Beispielsweise liegt η in einem Bereich von 0,3 bis 0,4.
In einer Ausführungsform weist die Folie einen
Befestigungsbereich auf, der über einen weiteren Bereich der Folie angeordnet ist und an diesem Bereich befestigt ist. Vorzugsweise ist die Folie in ihrem Befestigungsbereich an dem darunterliegenden Folienbereich angelötet. Der
Befestigungsbereich wird beispielsweise von einem
mantelseitigen Randbereich der Folie gebildet, der sich entlang der Mantelfläche erstreckt. Auf diese Weise kann eine Versiegelung der Umhüllung entlang der Mantelfläche erzielt werden .
In einer Ausführungsform weist das Bauelement wenigstens ein Endstück auf, das an einem Ende des Grundkörpers angeordnet ist. Die Umhüllung ist vorzugsweise am Endstück befestigt. Insbesondere ist die Umhüllung durchgehend und fest mit dem Endstück verbunden, sodass keine Feuchtigkeit an den
längsseitigen Enden der Umhüllung eindringen kann.
Beispielsweise ist das Endstück ein keramischer Körper. Das Endstück ist vorzugsweise am Grundkörper befestigt,
beispielsweise am Grundkörper angeklebt. Vorzugsweise weist der Grundkörper zwei Endstücke auf, die an seinen
längsseitigen Enden angeordnet sind. Die Umhüllung ist vorzugsweise an beiden Endstücken derart befestigt, dass die Umhüllung an den Endstücken dicht abgeschlossen ist. Dazu weist das Endstück beispielsweise einen Metallring auf, an dem die Folie befestigt wird. Insbesondere ist die Folie entlang des gesamten Umfangs des Rings mit dem Ring fest verbunden . Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des oben
beschriebenen piezoelektrischen Bauelements angegeben. Das Verfahren umfasst die Schritte: A) Bereitstellen eines Grundkörpers des Bauelements und
Bereitstellen einer strukturierten Folie und
B) Umwickeln des Grundkörpers mit der strukturierten Folie. Der Grundkörper kann vor dem Aufwickeln der Folie mit einem Passivierungsmaterial versehen sein. Das Passivierungs- material kann aus dem gleichen Material wie das isolierende Material gebildet werden. Vorzugsweise wird das
Passivierungsmaterial vor dem Aufbringen der Folie
ausgehärtet.
Vorzugsweise wird auf der Folie ein wie oben beschriebenes isolierendes Material aufgebracht. Vorzugsweise wird das isolierende Material auf die Folie aufgebracht, bevor die Folie um den Grundkörper gewickelt wird. Dabei kann zumindest eine Seite der Folie
abschnittsweise mit dem isolierenden Material versehen werden und abschnittsweise vom isolierenden Material frei sein.
Beispielsweise ist ein Randbereich der Folie, der für den Außenbereich der Umhüllung vorgesehen ist, auf wenigstens einer Seite frei von isolierendem Material. Stattdessen kann auf den Randbereich Lotmaterial aufgebracht werden, so dass eine Verlötung des Randbereichs und damit eine Versiegelung der Umhüllung ermöglicht wird.
Das isolierende Material kann vor oder nach dem Aufwickeln der Folie ausgehärtet werden. Bei einem Aushärten des isolierenden Materials nach dem Aufwickeln der Folie auf dem Grundkörper kann ein besonders guter Formschluss des
isolierenden Materials mit dem Grundkörper hergestellt werden .
In einer Ausführungsform kann das isolierende Material vor der Strukturierung der Folie auf die Folie aufgebracht werden. Danach kann die Folie dreidimensional strukturiert und das isolierende Material ausgehärtet werden. Auf diese Weise trägt das isolierende Material zum Erhalt der
Strukturierung der Folie bei.
Alternativ kann das isolierende Material erst nach der
Strukturierung der Folie auf die Folie aufgebracht werden. Beispielsweise wird das isolierende Material auf die
strukturierte Folie aufgebracht und danach wird die mit dem isolierenden Material versehene Folie um den Grundkörper gewickelt. Das isolierende Material ist vorzugsweise derart an den Grundkörper angeformt, dass keine Zwischenräume, insbesondere keine Blasen, in der Umhüllung vorhanden sind.
Weiterhin kann nach dem Anbringen der Folie am Grundkörper weiteres isolierendes Material aufgebracht werden.
Insbesondere kann eine von außen frei zugängliche Außenseite der Folie mit isolierendem Material bedeckt werden.
Die Umwicklung des Grundkörpers mit der Folie findet
vorzugsweise unter Niederdruck- oder Vakuumbedingungen statt. In diesem Fall ist eine blasenfreie Applizierung der Folie besonders zuverlässig möglich.
Nach dem Umwickeln des Grundkörpers mit der Folie wird die Umhüllung vorzugsweise nach außen abgedichtet. Beispielsweise wird dazu in einem Randbereich der Folie weiteres isolierendes Material eingebracht. Ein Befestigungsbereich der Folie, der am äußersten Randbereich angeordnet ist, ist vorzugsweise frei von isolierendem Material und wird an einem darunterliegenden Bereich der Folie befestigt. Auf diese Weise kann eine Abdichtung insbesondere im Mantelbereich der Umhüllung erreicht werden. Weiterhin kann zur Abdichtung der Umhüllung in einem Kopf- oder Fußbereich des Bauteils die Umhüllung mit einem Endstück verbunden werden.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine seitliche Aufsicht auf ein piezoelektrisches
Bauelement mit einer Umhüllung,
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt des
Bauelements aus Figur 1,
Figur 3 einen Querschnitt eines piezoelektrischen
Bauelements mit einer mehrlagigen Umhüllung,
Figur 4 einen Ausschnitt eines Längsschnitts der Umhüllung des Bauelements aus Figur 3,
Figur 5 einen Längsschnitt des Bauelements aus Figur 3,
Figur 6 einen Querschnitt eines piezoelektrischen
Bauelements mit einer mehrlagigen Umhüllung,
Figur 7 einen Ausschnitt aus dem Querschnitt aus Figur 6, Figur 8 eine abschnittsweise beschichtete strukturierte Folie zur Herstellung einer Umhüllung.
Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche
Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.
Figur 1 zeigt eine seitliche Aufsicht auf ein piez¬ oelektrisches Bauelement 1.
Das Bauelement 1 weist einen Grundkörper 6 auf, der von einer Umhüllung 4 umgeben ist. Der Grundkörper 6 weist
beispielweise piezoelektrische Schichten auf. Vorzugsweise ist der Grundkörper 6 als monolithischer Sinterkörper
ausgebildet. Die Umhüllung 3 schützt den Grundkörper 6 vor dem Eindringen von Feuchtigkeit und schädlichen Chemikalien. Beispielsweise ist das Bauelement 1 als Piezoaktor
ausgebildet und wird zum Betätigen eines Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. In diesem Fall schützt die Umhüllung 3 den Grundkörper 6 vorzugsweise von im Treibstoff enthaltenen Chemikalien.
Beim Anlegen einer Spannung an das Bauelement 1 dehnt sich das Bauelement 1 entlang einer Dehnungsrichtung 2 aus. Die Dehnungsrichtung 2 ist dabei vorzugsweise die Richtung in der sich das Bauelement 1 beim Anlegen einer Spannung am
stärksten ausdehnt. Beispielsweise wird durch das Ausdehnen des Bauelements 1 in Dehnungsrichtung 2 ein Ventil betätigt. Das Bauelement 1 weist eine Längsachse 3 auf, die vorliegend mit der Dehnungsrichtung 2 zusammenfällt. Vorzugsweise ist das Bauelement 1 als Vielschichtbauelement ausgebildet.
Beispielsweise weist das Bauelement 1 eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten auf, die entlang einer Stapelrichtung übereinander gestapelt sind. Vorzugsweise fällt die Stapelrichtung mit der Dehnungsrichtung 2 zusammen. Die Umhüllung 4 weist eine strukturierte Folie 5 auf. Die Folie 5 ist vorzugsweise eine metallische Folie,
beispielsweise eine Aluminiumfolie. Vorzugsweise ist die Folie 5 heliumdicht. Insbesondere ist die Oberfläche der Folie 5 strukturiert. Die Strukturierung ist derart
ausgebildet, dass zu starke Dehnungsspannungen in der Folie 5, die beispielsweise bei einer Ausdehnung des Bauelements 1 in Dehnungsrichtung 2 entstehen können, verhindert werden. Vorzugsweise wird durch die Strukturierung der Folie 5 ein Reißen der Folie 5 verhindert.
Figur 2 zeigt eine Detailansicht eines Schnitts durch das Bauelement 1 aus Figur 1 entlang der Längsachse 3.
Im Grundkörper 6 des Bauelements 1 sind piezoelektrische Schichten 7 und Elektrodenschichten 8 abwechselnd
übereinander angeordnet. Die Elektrodenschichten 8 sind abwechselnd bis zu einer Außenseite 10 des Grundkörpers 6 herangeführt und von der gegenüberliegenden Außenseite des Grundkörpers 6 beabstandet. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 8 können auf der Außenseite 10 und der gegenüberliegenden Außenseite Grundmetallisierungen aufgebracht sein, die jeweils mit einem elektrischen
Anschluss des Bauelements 1 kontaktiert sind. Die Folie 5 weist Erhebungen 9 auf, die sich von der
Außenseite 10 hervorheben und in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 3 des Bauelements 1 erstrecken. Die Bereiche zwischen den Erhebungen 9 können als Vertiefungen 25 in der Folie 5 angesehen werden. Die Erhebungen 9 verleihen der Folie 5 eine geriffelte Oberflächenstruktur. Insbesondere sind die Erhebungen 9 als Rippen ausgebildet, die senkrecht zur Längsachse 3 und parallel zur Außenseite 10 verlaufen. Die Erhebungen 9 weisen jeweils zwei gegenüberliegende
Flächenbereiche 12, 13 auf, die flankenförmig ausgebildet sind. Die Flächenbereiche 12, 13 sind jeweils in einem
Öffnungswinkel zur Außenseite 10 angeordnet. Vorzugsweise ist der Öffnungswinkel derart gewählt, dass sich bei einem Auftreten von Dehnungskräften entlang der Dehnungsrichtung 2 lediglich der Öffnungswinkel der Folie 5 verändert, ohne dass größere Spannungen in der Folie 5 auftreten. Es hat sich herausgestellt, dass hier ein Öffnungswinkel im Bereich von 40° bis 60°, insbesondere in einem Bereich von 40° bis 55° besonders günstig ist.
Anstelle der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Rippenstruktur der Folie 5 sind auch andere Strukturen möglich. Beispiels¬ weise kann die Folie 5 derart strukturiert sein, dass in unterschiedliche Richtungen verlaufende Dehnungs- oder
Stauchungskräfte durch eine Verformung der Folie 5
aufgenommen werden können, beispielsweise in Richtung der Längsachse 3 und in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 3 verlaufende Kräfte. Beispielsweise weist die Folie 5 eine Eierbecherstruktur auf. Insbesondere kann die Folie 5
teilkugelförmige Erhebungen, beispielsweise halbkugelförmige Erhebungen aufweisen. Die Erhebungen können dabei auch zumindest teilweise abgeflacht sein. Vorzugsweise sind die Erhebungen rotationssymmetrisch, insbesondere
rotationssymmetrisch bezüglich einer Rotationsachse, die sich senkrecht zur Außenseite 10, über der die Folie 5 angeordnet ist, erstreckt. Zwischen der Folie 5 und der Außenseite 10 des Grundkörpers 6, ist ein isolierendes Material 11, insbesondere ein
elektrisch isolierendes Material 11, angeordnet.
Beispielsweise weist das isolierende Material 11 ein
organisches Material auf. Das isolierende Material 11 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass Dehnungsspitzen, die bei einer Entstehung von Rissen im Grundkörper 6 auftreten können, nicht direkt an die Folie 5 übertragen werden, sondern vom isolierenden Material 11 verteilt werden.
Vorzugsweise verringert das isolierende Material 11 die an der Folie 5 auftretenden Dehnungskräfte. Vorzugsweise ist das isolierende Material 11 elastisch ausgebildet.
Das isolierende Material 11 ist auf einer Seite 15 der Folie 5 aufgebracht, die dem Grundkörper 6 zugewandt ist. Das isolierende Material 11 grenzt an die Folie 5 und die
Außenseite 10 des Grundkörpers 6, insbesondere an die
piezoelektrischen Schichten 7, an. Vorzugsweise füllt das isolierende Material 11 den Bereich zwischen der Folie 5 und der Außenseite des Grundkörpers 6 vollständig aus. Das isolierende Material 11 kann zusätzlich auch auf einer Seite 14 aufgebracht werden, die dem Grundkörper 6 abgewandt ist.
Das isolierende Material 11 wird beispielsweise auf der strukturierten Folie 5 aufgebracht, bevor die Folie 5 am
Grundkörper 6 angeordnet wird. Das isolierende Material 11 kann in ungehärteter Form auf die strukturierte Folie 5 aufgebracht werden und auf der Folie 5 aushärten. Auf diese Weise kann sich das Material 11 an die Strukturierung der Folie 5 anpassen. Nach dem Aushärten kann die Folie 5
beispielsweise unter Niederdruck oder Vakuumumgebung um den Grundkörper 6 gewickelt werden. Somit wird vorzugsweise verhindert, dass zwischen der Folie 5 und der Außenseite 10 des Grundkörpers 6 Luftblasen auftreten.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines piezoelektrischen
Bauelements mit einer mehrlagigen Umhüllung 4. Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt der mehrlagigen
Umhüllung 4 aus Figur 3.
Die mehrlagige Umhüllung 4 weist eine strukturierte Folie 5 auf, die in Figur 4 im Detail zu sehen ist. Die Folie 5 ist wellenförmig strukturiert und weist Erhebungen 9 auf, die ähnlich wie die Erhebungen 9 in Figur 2 senkrecht zur
Längsachse 3 des Bauelements 1 räumlich ausgedehnt sind. Die Folie 5 ist mehrmals um den Grundkörper 6 gewickelt. Somit weist die Umhüllung 4 eine erste Lage 4a auf, die direkt auf eine Passivierung 16 des Grundkörpers 6 aufgewickelt ist und eine zweite Lage 4b, die über der ersten Lage 4a angeordnet ist. In einem Endbereich weist die Folie eine dritte, äußerste Lage 4c auf, die über der zweiten Lage 4b
aufgewickelt ist und mit der zweiten Lage 4b vorzugsweise fest verbunden ist.
Wie in Figur 4 zu sehen ist, weisen die Lagen 4a, 4b die Folie 5 auf. Die Folie 5 ist in das isolierende Material 11 eingebettet. Insbesondere ist das isolierende Material 11 auf der Folie 5 sowohl in der ersten Lage 4a als auch in der zweiten Lage 4b auf einer dem Grundkörper 6 abgewandten Seite 14 und auf einer dem Grundkörper 6 zugewandten Seite 15 aufgebracht .
Die mehrlagige Umhüllung 4 kann folgendermaßen hergestellt werden. Es wird eine unstrukturierte Folie 5 bereitgestellt, die dann strukturiert, insbesondere gewellt wird. Anschließend wir auf beide Seiten 14, 15 der strukturierten Folie 5 ein isolierendes Material 11 aufgebracht. Alternativ kann das isolierende Material 11 zumindest teilweise schon vor der Strukturierung der Folie 5 auf die Folie 5
aufgebracht werden. Beispielsweise wird das isolierende
Material 11 auf einer Seite der Folie 5 aufgebracht und danach die Folie 5 strukturiert. Anschließend wird auch auf der anderen Seite der Folie 5 isolierendes Material 11 aufgebracht .
Vorzugsweise ist das isolierende Material 11 derart auf der Folie 5 aufgebracht, dass eine ebene Oberfläche der Umhüllung
4 entsteht. Insbesondere kann das isolierende Material 11 die Vertiefungen der strukturierten Folie 5 auffüllen.
Beispielsweise ist das isolierende Material 11, das auf der dem Grundkörper 6 abgewandten Seite 14 der Folie 5 angeordnet ist, formstabil, so dass die Strukturierung der Folie 5 erhalten bleibt. Beispielsweise wird das auf der vom
Grundkörper 6 abgewandten Seite 14 angeordnete isolierende
Material 11 vor der Strukturierung der Folie 5 auf die Folie
5 aufgebracht. Das isolierende Material 11, das auf der dem Grundkörper 6 zugewandten Seite 15 der Folie 5 aufgebracht ist, ist vorzugsweise verformbar, so dass sich beim
Aufbringen der Folie 5 auf dem Grundkörper das isolierende Material 11 an den Untergrund anpassen kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass verschiedene isolierende Materialien eingesetzt werden. Beispielsweise kann für die vom
Grundkörper 6 abgewandte Seite 14 der Folie 5 ein anderes Material verwendet werden als für die dem Grundkörper 6 zugewandte Seite 15. Anschließend wird die mit dem isolierenden Material 11 versehene Folie 5 nun mehrfach, beispielsweise zwei Mal um den Grundkörper 6 gewickelt. Aufgrund der ebenen Oberflächen der Lagen 4a, 4b kann verhindert werden, dass Luftblasen in der Umhüllung 4 entstehen.
Vorzugsweise wird nach dem vollständigen Aufwickeln die
Umhüllung 4 versiegelt, so dass keine Feuchtigkeit in die Umhüllung 4 eindringen kann. Beispielsweise wird die äußerste Lage 4c der Umhüllung mit einer darunter liegenden Lage 4b verklebt oder verlötet. Anschließend wird die das isolierende Material getrocknet oder ausgehärtet.
Auf der Außenseite der Umhüllung 4 kann eine weitere
Umhüllung, zum Beispiel eine weitere Schicht aufgebracht sein, um einen zusätzlichen Schutz des Bauelements 1 zu erzielen. Beispielsweise ist die weitere Umhüllung als
Schrumpfschlauch ausgebildet. Figur 5 zeigt einen Längsschnitt des Bauelements 1 aus Figur 3 und insbesondere eine Befestigung der Umhüllung 4 an einen Endstück 17 des Bauelements 1. Das Endstück 17 weist
beispielsweise ein keramisches Material auf, insbesondere ein gesintertes keramischen Material. Das Endstück 17 dient beispielsweise zur Halterung des Grundkörpers 6 und/oder zur elektrischen Isolierung des Grundkörpers 6. Weiterhin können im Endstück 17 elektrische Anschlüsse des Bauelements 1 vorgesehen sein. Beispielsweise weist das Bauelement 1 an beiden längsseitigen Enden 6 des Grundkörpers 2 derartige Endstücke 17 auf, beispielsweise ein Kopfteil und ein
Fußteil. Die Endstücke können am Grundkörper 6 angeklebt sein . Am Endstück 17 ist ein Befestigungsmittel zur Befestigung der Umhüllung 4 und insbesondere zur Abdichtung der Umhüllung 4 vorgesehen. Das Befestigungsmittel ist hier als Metallring 18 ausgebildet, der das Endstück 17 ringförmig umschließt. Der Metallring 18 ist beispielsweise mit dem Endstück 17
versintert .
Die Umhüllung 4 weist einen über den Grundkörper 6
überstehenden Randbereich 20 auf. Im Randbereich 20 ist die Folie 5 unstrukturiert. Der Randbereich 20 weist einen
Befestigungsbereich 20a auf, in dem die Folie 5 am Metallring
18 befestigt ist, beispielsweise mittels einer Lotverbindung
19 mit dem Metallring 18 verbunden.
Beispielsweise wird die Umhüllung 4 des Grundkörpers 6 die folgende Weise hergestellt.
Das mit dem Metallring 18 versehene Endstück 17 wird am
Grundkörper 6 befestigt. Anschließend wird auf den
Grundkörper 6 ein Passivierungsmaterial 16 aufgebracht.
Es wird eine strukturierte und mit einem isolierenden
Material 11 versehene Folie 5 bereitgestellt. Dabei ist die Folie 5 vorzugsweise in einem Randbereich 21, der den
längsseitigen Randbereich 20 der Umhüllung 4 bildet, frei von isolierendem Material 11. Stattdessen ist in einem am
äußersten Rand gelegenen Befestigungsbereich 21a des
Randbereichs 21 ein Lotmaterial und ein Flussmittel zur
Herstellung der Lotverbindung 19 aufgebracht. Beispielsweise ist dieser Befestigungsbereich 21a der Folie 5 zwischen 2 mm und 5 mm breit. Die Folie 5 wird dann derart um den Grundkörper 6 und um einen Teil des Endstücks 17 gewickelt, dass der Randbereich 21 der Folie einen Bereich des Endstücks 17 umwickelt. Dabei kommt der mit Lotmaterial 19 beschichtete Befestigungsbereich 21a der Folie 5 über dem Metallring 18 zu liegen.
Anschließend wird ein möglicherweise vorhandener Hohlraum in einem Zwischenbereich 20b des Randbereichs 20 der Umhüllung 4, der am Endstück 17 an der Grenze zum Grundkörper 6 angeordnet ist, mit einer verformbaren Versiegelungsmasse 22 befüllt. Die Versiegelungsmasse 22 kann wie das isolierende Material 11 ausgebildet sein. Vorzugsweise wird der Hohlraum vollständig aufgefüllt. Dann wird die Folie 5 unter
Niederdruck, insbesondere unter Vakuumbedingungen, blasenfrei an die Versiegelungsmasse 22 angeformt.
Schließlich wird die Folie 5 in ihrem Befestigungsbereich 21a mit dem Metallring 18, beispielsweise in einem Reflow- Lötprozess, verlötet. Auf diese Weise entsteht eine dichte und umlaufende Verbindung der Umhüllung 4 mit dem Endstück 17.
Ferner kann das Bauelement 1 elektrische Anschlüsse (nicht abgebildet) zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements 1 aufweisen. Vorzugsweise sind die Anschlüsse durch das
Endstück 17 geführt. Insbesondere können die Anschlüsse mit einer Grundmetallisierung auf der Außenseite 10 des
Grundkörpers 6 verbunden sein und entlang der Außenseite 10 unter der Passivierung 16 zum Endstück 17 führen. Das
Endstück 17 weist vorzugsweise eine Bohrung auf, durch die die Anschlüsse durch das Endstück 17 hindurch nach außen geführt sind. Vorzugsweise führt die Bohrung durch einen Bereich des Endstücks 17 hindurch, der von dem Metallring 18 umschlossen ist und erlaubt somit eine Führung der Anschlüsse durch das Innere des Endstücks 17 nach außen, ohne dass die Umhüllung 4, insbesondere die Verbindung der Folie 5 mit dem Metallring 18, unterbrochen werden muss. Auf diese Weise kann eine besonders dichte Umhüllung 4 erreicht werden.
Vorzugsweise ist das Bauteil mit zwei Endstücken 17,
insbesondere einem Kopfteil und einem Fußteil versehen, wobei die Umhüllung 4 an beiden Endstücken 17 wie vorgehend
beschrieben befestigt ist.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt eines piezoelektrischen
Bauelements 1 mit einer mehrlagigen Umhüllung 4 und
insbesondere eine Abdichtung der Umhüllung 4 an ihrer
Mantelfläche.
Insbesondere ist ein mantelseitiger Randbereich 24 der Folie
5 in der äußersten Lage 4c der Umhüllung 4 mit der darunter liegenden zweiten Lage 4b durchgehend und fest verbunden. Eine derartige Versiegelung kann auch bei der in den
vorhergehenden Figuren gezeigten Umhüllung 4 vorhanden sein.
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus dem Bauelement 1 aus Figur
6 in dem in Figur 6 gestrichelt umrandeten Bereich.
Figur 8 zeigt eine strukturierte Folie 5, die zur Herstellung der in den Figuren 6 und 7 gezeigten Umhüllung 4 verwendet werden kann. Wie Figur 8 zu sehen ist, ist ein randseitiger
Anfangsabschnitt 5a der Folie 5, der auf den Grundkörper 6 aufgebracht wird, nur einseitig mit dem isolierenden Material 11 versehen. Insbesondere ist das isolierende Material 11 nur auf der dem Grundkörper zugewandten Seite 15 aufgebracht. Auf diese Weise wird beim Umwickeln des Grundkörpers 6 ein
Aufbringen der zweiten Lage 4b auf die erste Lage 4a
erleichtert .
Ein weiterer Folienabschnitt 5b, der sich an den
Anfangsbereich 5a anschließt, ist auf beiden Seiten 14, 15 mit dem isolierenden Material 11 versehen. Aus diesem
Folienabschnitt 5b wird zusammen mit dem Anfangsabschnitt 5a die erste Lage 4a der Umhüllung 4 gebildet (siehe Figur 7) .
An den beidseitig beschichteten Folienabschnitt 5b schließt sich ein weiterer Folienabschnitt 5c an, der nur einseitig mit dem isolierenden Material 11 versehen ist. Aus diesem Folienabschnitt 5c wird im Wesentlichen die zweite Lage 4b gebildet (siehe Figur 7) . Der Folienabschnitt 5c ist nur auf der Seite 15 mit isolierendem Material 11 versehen, die dem Grundkörper 6 zugewandt ist. Die Seite 14, die dem
Grundkörper 6 abgewandt ist, ist frei von isolierendem
Material. Dadurch wird eine Befestigung, insbesondere eine Verlötung des mantelseitigen Randbereichs 24 der Folie 24 (siehe Figur 6) , auf der Außenseite dieses Folienabschnitts 5c ermöglicht. An den einseitig mit isolierendem Material 11 versehenen
Folienabschnitt 5c schließt sich ein Endabschnitt 5d an. Der Endabschnitt 5d ist beidseitig frei von isolierendem Material und bildet den mantelseitigen Randbereich 24 (siehe Figur 6) . Der Endabschnitt 5d ist vor dem Aufbringen der Folie 5 auf den Grundkörper 6 mit Lotmaterial 23 und einem Flussmittel für einen Reflow-Lötprozess versehen. Der Endabschnitt 5c ist beispielsweise zwischen 2 und 5 mm lang. Zur Ausbildung der Umhüllung 4 wird die in Figur 8 gezeigte strukturierte und abschnittsweise beschichtete Folie 5, beginnend mit dem einseitig beschichteten Anfangsabschnitt 5a, um den Grundkörper 6 gewickelt. Dabei zeigt die mit isolierendem Material 11 versehene Seite 15 zum Grundkörper 6 hin. Vorzugsweise wird das Umwickeln unter Niederdruck- oder Vakuumbedingungen durchgeführt.
Nachdem die Folie 5 vollständig um den Grundkörper 6
gewickelt ist, zeigt die unbeschichtete Seite des
Folienabschnitts 5c und des Endabschnitts 5d nach außen.
Anschließend wird der Endabschnitt 5d fest mit dem
darunterliegenden Folienabschnitt 5c verbunden. Insbesondere wird der Endabschnitt 5d an die unbeschichtete Außenseite des Folienabschnitts 5c angelötet, so dass eine Lotverbindung 19 entsteht (siehe Figur 7) . Somit bildet der Endabschnitt 5d einen mantelseitigen Befestigungsbereich 24a der Folie 5, der an einem darunter liegenden weiteren Bereich 26 der Folie 5 befestigt ist.
Ein Überlappbereich, der im Befestigungsbereich 5c der Folie möglicherweise nicht am darunterliegenden Folienabschnitt 5b angelötet ist, wird vorzugsweise blasenfrei an die darunter liegende Lage 4b angeformt, so dass keine Blasen in der
Umhüllung 4 verbleiben.
Vorzugsweise wird in einem weiteren Schritt die von außen zugängliche Seite der strukturierten Folie 5 mit einer
Beschichtung versehen, insbesondere mit einer organischen Beschichtung. Auf diese Weise kann eine glatte Oberfläche der Umhüllung 4 erzielt werden. Die Beschichtung kann wie das isolierende Material 11 ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung 4 sowohl in ihren längsseitigen Randbereichen 21 als auch auf der Mantelfläche des Grundkörper 6 versiegelt, vorzugsweise wie in den Figuren 5 und 7 gezeigt.
Bezugs zeichenliste
1 piezoelektrisches Bauelement
2 Dehnungsrichtung
3 Längsachse
4 Umhüllung
4a erste Lage der Umhüllung
4b zweite Lage der Umhüllung
4c äußerste Lage der Umhüllung
5 Folie
5a Anfangsabschnitt der Folie
5b Folienabschnitt für erste Lage
5c Folienabschnitt für zweite Lage
5d Endabschnitt der Folie
6 Grundkörper
7 piezoelektrische Schicht
8 Elektrodenschicht
9 Erhebung
10 Außenseite des Grundkörpers
11 isolierendes Material
12 Flächenbereich
13 Flächenbereich
14 Seite der Folie, die dem Grundkörper abgewandt ist
15 Seite der Folie, die dem Grundkörper zugewandt ist 16 Passivierung
17 Endstück
18 Metallring
19 Lotverbindung
20 Randbereich der Umhüllung
20a Befestigungsbereich der Umhüllung
20b Zwischenbereich der Umhüllung
21 Randbereich der Folie
21a Befestigungsbereich 21b Zwischenbereich
22 Versiegelungsmasse
23 Lotmaterial
24 mantelseitiger Randbereich der Folie
24a mantelseitiger Befestigungsbereich der Folie
25 Vertiefung
26 weiterer Bereich der Folie
Öffnungswinkel

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrisches Bauelement,
mit einem Grundkörper (6), der zumindest teilweise von einer Umhüllung (4) zum Schutz des Grundkörpers (6) umgeben ist, wobei die Umhüllung (4) eine strukturierte Folie (5)
aufweist .
2. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem die Folie (5) wenigstens eine Vertiefung (25) oder Erhebung (9) aufweist.
3. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Grundkörper (6) eine Dehnungsrichtung (2) aufweist und wobei die Vertiefung (25) oder Erhebung (9) sich senkrecht zur Dehnungsrichtung (2) erstreckt.
4. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die Folie (5) eine Mehrzahl von Vertiefungen (25) oder Erhebungen (9) umfasst.
5. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Strukturierung der Folie (5) derart
ausgebildet ist, dass mechanische Spannungen in der Folie (5) gering gehalten werden.
6. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Folie (5) um den Grundkörper (6) gewickelt ist .
7. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 6,
bei dem die Folie (5) mehrfach um den Grundkörper (6)
gewickelt ist.
8. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens ein Flächenbereich (12, 13) der Folie (5) in einem Winkel zwischen 40 ° und 60 ° zu einer
Außenseite (10) des Bauelements (1) angeordnet ist.
9. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf wenigstens einer Seite (14, 15) der Folie (5) ein elektrisch isolierendes Material (11) angeordnet ist.
10. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 9,
wobei das isolierende Material (11) auf einer Seite (15) der Folie (5) angeordnet ist, die dem Grundkörper (6) zugewandt ist .
11. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 10,
wobei das isolierende Material (11) den Raum zwischen der Folie (5) und dem Grundkörper (6) vollständig ausfüllt.
12. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das isolierende Material (11) auf einer Seite (14) der Folie (5) angeordnet ist, die vom Grundkörper (6) abgewandt ist.
13. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Folie (5) einen Befestigungsbereich (24a) aufweist, der über einer weiteren Bereich (26) der Folie (5) angeordnet ist und an diesem Bereich (26) befestigt ist.
14. Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, aufweisend wenigstens ein Endstück (17), das an einem Ende des Grundkörpers (6) angeordnet ist, wobei die Umhüllung (4) am Endstück (17) befestigt ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend die Schritte :
A) Bereitstellen eines Grundkörpers (6) des Bauelements (1) und Bereitstellen einer strukturierten Folie (5) ,
B) Umwickeln des Grundkörpers (6) mit der strukturierten Folie (5) .
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