WO2014009303A1 - Piezoelectric multilayer actuator and injection valve - Google Patents

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WO2014009303A1
WO2014009303A1 PCT/EP2013/064350 EP2013064350W WO2014009303A1 WO 2014009303 A1 WO2014009303 A1 WO 2014009303A1 EP 2013064350 W EP2013064350 W EP 2013064350W WO 2014009303 A1 WO2014009303 A1 WO 2014009303A1
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WO
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layer
end region
layer stack
multilayer actuator
piezoelectric
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/064350
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Denzler
Thomas Richter
Marco KEMPE
Thomas STEMPLINGER
Yanfei ZHAO
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Gmbh filed Critical Continental Automotive Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/508—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure adapted for alleviating internal stress, e.g. cracking control layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • Piezoelectric Multilayer Actuator and Injector The present disclosure relates to a piezoelectric multilayer actuator. In addition, it relates to an injection valve with a piezoelectric multilayer actuator.
  • Piezoelectric multilayer actuators which are suitable for injection valves are known, for example, from document EP 2082444 B1. They contain a monolithic
  • Multilayer actuators are given in the dependent claims. It is another object of the present disclosure to provide an injector that is particularly reliable at high pressures. This object is achieved by an injection valve according to claim 10.
  • a piezoelectric multilayer actuator is specified.
  • the piezoelectric multilayer actuator has a monolithic layer stack including a plurality of piezoelectric elements stacked in a longitudinal direction. Each piezoelectric element includes a first electric ⁇ den slaughter, a second electrode layer and a
  • the piezoceramic layer between the electrode layers.
  • the piezoceramic layer is particularly adjacent to sides to the first and second electrode layer.
  • the layer thickness of the piezoceramic layer has, for example, a value between 40 and 200 ym, preferably it has a value between 50 and 130 ym, in particular between 60 ym and 80 ym, the limits are included.
  • a piezoceramic layer is to be understood as meaning, in particular, a layer which contains a ceramic material which deforms under the action of an electric field,
  • each of the piezoelectric elements is constructed in such a way that the application of an electrical voltage to the first and second electrodes In this way, the length of the layer stack increases, that is, its expansion in the longitudinal direction
  • Layer stack is, is in the present context in particular ⁇ special understood that the formation of the layer stack provided starting layers - in particular those for the formation of the first and second electrode layers and the
  • Piezoceramic layers provided output layers - stacked into a common green body and sintered together to form the layer stack.
  • —Whentulßi ⁇ g represent a stable connection of the layers forms from each other so that the individual piezoelectric elements in particular ⁇ sondere not have to be connected together by means of adhesive layers.
  • the layer stack is free of adhesive layers.
  • the piezoelectric multilayer actuator has an end portion which is the piezoelectric elements in the
  • the end region is expediently piezoelectrically inactive. Preferably, it is also electrically insulating, in particular in order to electrically isolate the multilayer actuator from other components. Preferably, the end region is thus free of metallic layers. In particular, it contains no Elect ⁇ clear layer.
  • a layer thickness of the end region has a value between 0.2 mm and 5 mm, for example, it has a value between 0.5 mm and 3 mm, in particular between 0.8 mm and 1.6 mm, the limits each are included.
  • the layer thickness is the dimension of the end region in
  • the end portion includes a ceramic material such as alumina or a piezoceramic material.
  • the piezoceramic material is, in particular, an oxide with a perovskite structure, for example
  • the end region is monolithically integrated in the layer stack and preferably made of the same piezoceramic material as the piezoceramic layers of the piezoelectric elements.
  • “Monolithically integrated into the layer stack” means in particular that the output layer provided for forming the end region and the output layers provided for forming the layer stack are joined together to form a common green body and sintered together.
  • the piezoelectric inactivity is achieved, in particular, by the fact that the multilayer actuator is not intended to produce an electric field in the end region by means of electrode layers.
  • the end area is free of electrode layers which are supplied during operation of the multilayer actuator with the voltage applied to the multilayer actuator electrical operating voltage.
  • the multilayer actuator has a decoupling layer between the end region and the layer stack.
  • the layer stack, the decoupling layer and the end region directly follow one another.
  • the decoupling layer preferably adjoins the layer stack and the end region on opposite sides.
  • the mechanical stability of the decoupling layer is reduced relative to the end region. Preferably, it is also reduced with respect to the mechanical stability of an end portion facing edge portion of the layer stack.
  • the decoupling layer has a lower mechanical ⁇ African stability than the end portion or as the decoupling layer facing edge portion of the layered stack is, in particular, understood in the present context that the under sufficient tension and / or under sufficient shear stress between End region and the layer stack of the end region in the region of the decoupling layer from the layer stack detaches.
  • the breaking edge runs in the decoupling layer or at an interface of the decoupling layer.
  • the piezoelectric elements expand due to the inverse piezoelectric effect
  • piezoceramic layers remains constant or at least approximately constant. This behavior is also referred to as "transverse contraction.”
  • the piezoelectrically inactive end region is not subject to such transverse contraction due to the inverse piezoelectric effect, so it tends to maintain its cross-sectional dimensions.
  • the end region is rigidly coupled to the layer stack.
  • it adjoins directly to the layer stack, such as one
  • Electrode layer of one of the piezoelectric elements is monolithically integrated into the layer stack.
  • the mechanical stresses cause, in particular, a bend or at least a bending stress in the end region.
  • the bending stress is in particular directed so that the lateral, preferably parallel to the longitudinal direction outer surfaces of the end portion in the direction of
  • Layer stack are attracted.
  • the optionally caused bending thus leads, in particular, to a convex curvature of the outer surface of the end region facing away from the layer stack.
  • the positive connection and / or the frictional connection between the end region and the layer stack is canceled by means of the decoupling layer.
  • “Lifting the positive connection” means in particular that the distance between the end region and the layer stack - or at least between overlapping in plan view of the longitudinal direction partial regions of end region and layer stack - by means of the decoupling layer is variable.
  • “Abolition of adhesion” means in particular that the End region and the layer stack - or in plan view of the longitudinal direction overlapping partial regions of the end region and layer stack - are mutually movable transversely to the longitudinal direction.
  • the transmission of shear forces acting transversely to the longitudinal direction from the layer stack to the end region is reduced compared to a rigid coupling.
  • the transmission of tensile forces in the longitudinal direction relative to a rigid coupling can be reduced.
  • the coupling of the end region is on
  • one or more cracks are formed in the Entkopp ⁇ lung layer, so that a locally or complete detachment of the end region from the
  • the end region in the region of the decoupling layer is completely from the
  • a crack which is "formed in the decoupling layer” is also understood to mean a crack which extends at an interface of the decoupling layer to the end region and / or at an interface of the decoupling layer to the layer stack.
  • the cracks can increase with the service life of the multilayer actuator and only gradually lead to a complete detachment.
  • the reduced mechanical stability of the decoupling layer compared with the end region advantageously reduces the risk of the cracks spreading into the end region or into the layer stack. Rather, the cracks or the separation takes place due to their lower mechanical stability targeted in the decoupling layer. ⁇
  • the risk of functional failures due to bending stress-induced cracks is particularly pronounced in applications with high mechanical loads.
  • One such application is an injection valve for a diesel engine in which fuel generally has to be metered at a pressure in the range of 2000 bar.
  • the piezoelectric multilayer actuator according to the present disclosure is therefore particularly well suited for an injection valve for a diesel engine.
  • the decoupling layer has a higher brittleness than the end region, and preferably also a greater brittleness as a bordering on the decoupling layer to ⁇ edge portion of the layer stack, whereby the reduced mechanical stability is achieved.
  • the decoupling layer is a porous Kera ⁇ mix layer.
  • a "ceramic layer” is made of a ke ⁇ ramischen material.
  • a ceramic material comprises particles and cavities.
  • a “porous ceramic layer” a ceramic layer is meant in the present context in which the volume percentage of the voids is greater than the volume fraction the cavities in the end region, if it contains ceramic material, or in the kera ⁇ mixing material of the piezoceramic layers, whereby in particular the reduced mechanical stability is achieved.
  • the decoupling layer is a perforated metal layer.
  • the perforated metal layer has a plurality of metal islands and at least one cavity surrounding the metal islands.
  • the perforated metal layer may also be a metal layer which is interspersed with a multiplicity of cavities, wherein the cavity or the cavities preferably completely penetrate the decoupling layer in the longitudinal direction.
  • the metal layer or the metal islands have in a further development of silver or consist thereof.
  • the bond between the end portion and a perforated metal layer is comparatively low and the metal islands or interspersed with cavities ⁇ metal layer is relatively easily deformable whereby in particular the reduced mechanical stability is achieved by ⁇ rupted metal layer.
  • the decoupling layer is a ceramic layer in which the particles of the ceramic material are only weakly interconnected.
  • the particles of the ceramic layer are weaker decoupling ⁇ interconnected than the particles of the end portion when this is made ⁇ ge of a ceramic material.
  • the sintering necks between the particles of the decoupling layer in particular in the means have a smaller cross section than the sintering necks between the Par ⁇ tikeln of the end portion.
  • the decoupling layer embodied as a ceramic layer is preferably free of metallic layers, in particular internal electrode layers.
  • the decoupling layer formed, for example, as a perforated metal layer or as a porous ceramic layer is monolithically integrated in the layer stack in one embodiment.
  • the end region is produced monolithically with the layer stack and the decoupling layer. This means in particular that in the production of the multilayer actuator to the formation of the layer stack, the decoupling layer and, if necessary. of the end region provided starting layers are joined together to a common green body and sintered together.
  • the monolithic integration of the decoupling layer or the decoupling layer and the end region may - for example for manufacturing reasons - be required or desirable that the
  • Layer stack has a piezoelectrically inactive edge portion which is arranged between the piezoelectric elements and the decoupling layer and in particular adjacent to the decoupling layer and to one of the piezoelectric elements.
  • the piezoelectrically inactive edge section is made, for example, from the same piezoceramic material as the piezoceramic layers of the piezoelectric elements.
  • the piezoelectrically inactive edge section is preferably free of metallic layers, in particular internal electrode layers.
  • the layer stack has a piezoelectrically inactive
  • the layer thickness is expediently as small as possible. For example, it has a value of 100 microns or less, in a development of 50 ym or less, for example, of 30 ym or less. In particular, the layer thickness has a value of one micron or greater, with the limits included.
  • the decoupling layer is formed by an adhesive layer.
  • the end portion is preferably formed as a separately manufactured tail.
  • the adhesive layer has a greater fluidity - and thus a lower mechanical stability - than the end region.
  • the fluidity is the reciprocal of the viscosity.
  • the adhesive layer is in particular ⁇ special designed to absorb shear and / or tensile forces, so that they are not transmitted or only in a relatively small extent from the layer stack to the end.
  • Adhesive for example, a silicone resin is suitable.
  • Adhesive which has a greater brittleness than the end region, such that cracks develop during longitudinal expansion and transverse contraction of the layer stack during operation of the multilayer actuator within the adhesive layer or at the interface between the adhesive layer and end region or layer stack, or over a full-area peel he follows .
  • the end portion of the layer stack is made separately and is loose on the
  • the decoupling layer is formed by the opposing outer surfaces of the end region and of the layer stack.
  • the reduced mechanical stability of the decoupling layer is achieved in this case.
  • the end region is thus slidably mounted on the layer stack, in particular transversely to the longitudinal direction, and is in
  • the end region can adjoin directly to an electrode layer of a piezoelectric element of the layer stack.
  • the layer stack can have a transition region which contains a plurality of the piezoelectric elements, wherein in the transition region the layer thickness increases in each case in the longitudinal direction of successive piezoelectric elements in the direction towards the end region.
  • the piezoelectric elements arranged in the transition region have greater layer thicknesses than piezoelectric elements which are arranged in the layer stack on the side of the transition region facing away from the end region.
  • the term "layer thickness" is understood to mean the respective extent in the longitudinal direction. As the layer thickness increases, the longitudinal deflection of the piezoelectric elements decreases in the longitudinal direction, which also reduces the transverse contraction of the respective piezoelectric element. In this way, with the transition region, the bending stress acting on the end region can be further reduced.
  • the piezoelectric multilayer actuator includes a first piezoelectric element that is be ⁇ nachbart the end portion and a second piezoelectric element which has a greater distance from the end portion, wherein, the first and the second piezoelectric element same layer thicknesses. That the first piezoelectric element is be ⁇ nachbart the end region, in particular in this context means that no more piezoelectric elements of the layer stack between the first piezoelectric element and the end portion are arranged. In this way, a greater deflection in the longitudinal direction can be achieved with the same longitudinal extent of the layer stack compared to layer stacks with transition region.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a piezoelectric multilayer actuator according to a first embodiment
  • FIG. 2 a shows a detail of the multilayer actuator according to FIG. 1 in the de-energized state
  • FIG. 2b shows the section of FIG. 2a when it is in abutment
  • FIG. 3 shows a piezoelectric multilayer actuator according to a second embodiment
  • Multilayer actuator according to a third embodiment.
  • similar or equivalent elements having the same reference numbers are provided ⁇ Be.
  • the figures and the proportions of the elements shown in the figures are not to be considered as true to scale. For example, individual elements can be shown exaggeratedly large or thick for better representability or better understanding.
  • Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of a piezoelectric multilayer actuator 9 according to a first embodiment.
  • the piezoelectric multilayer actuator 9 has a stack ⁇ stack 10, which contains a plurality of piezoelectric elements 20.
  • Each piezoelectric element 20 is made up of a first electrode layer 21, a piezoceramic layer 22 and a second electrode layer 23.
  • the piezo-ceramic layer 22 is arranged between the two electrode layers 21, 23 and adjoins them in particular.
  • the layer stack 10 contains a predetermined breaking layer 15 at several locations between two successive piezoelectric elements 20.
  • the predetermined breaking layers 15 are unsuitable for this purpose, as electrode layers to act. In particular, they have an insufficient conductivity for electrode layers transverse to the longitudinal direction 100.
  • the predetermined breaking layers 15 may for example be arranged between piezoelectrically inactive ceramic layers of the layer stack 10.
  • predetermined breaking layers are known to those skilled in principle.
  • the predetermined breaking layers are perforated metal layers or porous ceramic layers.
  • Such predetermined breaking layers are for example in the
  • the predetermined breaking layers 15 are each contained in one of the piezoelectric elements 20.
  • the piezoelectric elements 20 are followed in the longitudinal direction 100 by an optional edge section 11 of the layer stack, which is formed, for example, by a piezoelectrically inactive ceramic layer.
  • the edge portion 11 preferably has the same piezoceramic material as the
  • Piezoceramic layers 22 He preferably has a
  • Layer thickness of 100 ym or less, preferably 50 ym or less.
  • the layer stack 10 is a monolithic layer stack, which means, in particular, that the ceramic layers forming the piezoelectric elements 20, the predetermined breaking layers 15 and optionally the edge section 11 and the piezoelectrically inactive ceramic layers are provided. Seen starting layers are stacked into a common green body and sintered together. In particular, the individual piezoelectric elements are not interconnected by means of adhesive layers.
  • edge portion 11 abuts on its side facing away from the piezoelectric elements 20 side to a decoupling layer 40, which adjoins on its side facing away from the layer stack 10 side to an end portion 30 of the multilayer actuator.
  • the piezoelectric elements 20 are also preceded by an edge section 11 of the layer stack 10 and a decoupling layer 40 and a further end section 30 of the multilayer actuator 9, so that the piezoelectric elements 20 extend longitudinally between two end sections 30 and 30 of identical construction Decoupling layers 40 are included.
  • the multilayer actuator also has a first connection electrode 12 and a second connection electrode 13, the main extension planes of which extend in particular parallel to the longitudinal direction and which extend to different side surfaces of the
  • Layer stack 10 are applied.
  • the first electrode layers 21 are electrically conductively connected to one another with the first connection electrode
  • the second electrode layers are electrically conductively connected to the second connection electrode.
  • the polarity of the first electrode layers is equal to each other
  • the polarity of the second electrode layers is equal to each other
  • the polarities of the first and second electrode layers are different from each other.
  • Layer stack 10 remains at least approximately constant.
  • the end regions 30 are piezoelectrically inactive, in particular since they are not arranged between two electrode layers 21, 23. In addition, they are electrically insulating. In the present case, they are made from the same piezoceramic material as the piezoceramic layers 22.
  • end regions 30 were rigidly connected, in particular frictionally and positively, to the layer stack 10, due to the different transverse contraction of layer stack 10 and end regions 30, mechanical stresses would occur in the end regions, which would in particular cause a bending of the end regions 30.
  • the decoupling layers 40 are provided to oppose the coupling of the end regions 30 to the layer stack 10
  • FIG. 2a shows one of the end regions 30 and the adjacent edge section 11 of the layer stack 10 with the decoupling layer 40 arranged therebetween in the de-energized state of the multilayer actuator.
  • FIG. 2 b shows the section of FIG. 2 a when the operating voltage is applied to the terminal electrodes 12, 13.
  • the decoupling layer 40 is herein formed by a rupted by ⁇ metal layer.
  • the perforated metal ⁇ layer is composed for example of a plurality of metal islands 41 and one or more cavities 42. For example, by means of the metallic islands 41 a laterally connected, net-shaped cavity 42 is formed.
  • the cavity or cavities 42 preferably extend over the entire layer thickness-that is, the extension in the longitudinal direction 100-of the decoupling layer 40.
  • Such a decoupling layer 40 with metal islands 41 is particularly advantageous between the ceramic end region 30 and the ceramic edge section 11 good to produce.
  • the Ent ⁇ coupling layer 40 is a porous ceramic layer.
  • a porous ceramic layer is known for another purpose in ⁇ example from the document DE 10 2010 006 587 AI. The disclosure of this document with regard to construction and production of the porous ceramic layer is hereby incorporated by reference into the present application.
  • Figure 3 shows a piezoelectric multilayer actuator according to a second embodiment in a schematic cross-sectional view.
  • the layer stack 10 is delimited in the longitudinal direction 100 by electrode layers 21 and 23, respectively.
  • no tension between the piezoelectric elements and piezoelectrically inactive edge portions 11 occur, which are associated with the risk of uncontrolled cracking.
  • an edge section 11 made of a piezoceramic material it is also possible for an edge section 11 made of a piezoceramic material to be formed in the layer stack 10 at one or both longitudinal ends which is piezoelectrically inactive.
  • the layer stack 10 in the present exemplary embodiment has transition regions R at the ends opposite in the longitudinal direction 100, which each contain a plurality of piezoelectric elements with their electrode layers 21, 23.
  • the spacings of successive electrode layers - which correspond to the layer thicknesses of the respective piezoelectric elements 20 - increase in the direction of the transition region R respectively adjacent end region 30, in particular d R i ⁇ d R 2 ⁇ d R 3. In this way, the reduces mechanical stress to the adjacent end portion 30, since with increasing distance d R i, d R 2 and d R 3, the deflection of the respective piezoelectric element 20 in the longitudinal direction and the corresponding transverse contraction decrease.
  • Such layer stacks with transition regions R are in principle known to the person skilled in the art, for example from the document US Pat. No. 7,042,143 B2, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference into the present disclosure. Such layer stacks with transition regions R are also suitable for the multilayer actuators according to the embodiments and embodiments of the present disclosure.
  • transition regions R are advantageously dispensable, so that the first piezoelectric element 20A of the layer stack 10 adjacent to the respective end region 30 can have the same layer thickness and in particular the same electrode spacing d as one further from the end region 30 removed second piezoelectric element 20 B (see Figure 1).
  • a larger number of piezoelectric elements 20 in the layer stack 10 at the same longitudinal ⁇ dimension of the layer stack 10 may be arranged as compared to layer stacks 10 with transition regions R in which enlarge the electrode spacings reasonable. In this way, a particularly large out ⁇ steering in the longitudinal direction 100 per unit length of the layer ⁇ stack 10 can be achieved.
  • the end portions 30 are not monolithically integrated into the layer stack 10. Instead, these are separately produced end pieces which are adhesively bonded to the layer stack by means of one of the decoupling layers 40, which in the present case are adhesive layers.
  • the end pieces are preferably piezoelectrically inactive and electrically insulating.
  • the material of the adhesive layers 40 is selected, for example, such that it has a higher fluidity than the material of the end regions 30. In this way, the decoupling layer 40 is easily deformable, at least in the lateral direction, ie transversely to the longitudinal direction 100, compared to the end region 30. In this way, the adhesive layer 10 can absorb shear forces occurring in cross-sectional changes of the layer stack 10 and it does not transfer or only to a comparatively small extent on the respective end region 30.
  • the adhesive layer may comprise or consist of a silicone resin.
  • the adhesive layer may also be formed of a material that a greater brittleness has, as the material of the end portion 30 so as to form at cross section ⁇ changes of the layer stack 10 in operation of the multilayer actuator cracks 45 in the adhesive layer 40, and so the transmission of shear and tensile forces on the respective end region 30 is reduced by means of the cracks 45.
  • the layer stack 10 in the second embodiment consists of the piezoelectric elements 20.
  • it is constructed as an alternating sequence of electrode layers 21 and 23 and piezoceramic layers 22.
  • it may additionally contain predetermined breaking layers 15 in order to reduce the risk of crack-related functional impairments within the layer stack 10.
  • Figure 4 shows an embodiment of an injection valve 1 with a piezoelectric multilayer actuator 9 according to a third embodiment in a simplified, schematic sectional view.
  • the injection valve 1 has a valve body 2, which encloses an interior, in which the piezoelectric
  • Multilayer actuator 9 is arranged.
  • the longitudinal direction 100 of the layer stack 10 of the multilayer actuator 9 is parallel to or coincides with a longitudinal axis of the injection valve 1.
  • the piezoelectric multilayer actuator 9 is followed in the longitudinal direction 100 by a nozzle needle 3 with which a connection between the fuel inlet 4 and the nozzle hole 5 of the injection valve 1 can be established and interrupted.
  • the nozzle needle 3 is pressed by means of a spring 6 in (or counter) the longitudinal direction 100 against the piezoelectric multilayer actuator.
  • the layer stack 10 has both transition regions R and predetermined breaking layers 15, as described in connection with the preceding exemplary embodiments. Such layer stacks are also suitable for the other embodiments and embodiments of the multilayer actuator 9.
  • the end portions 30 of the multilayer actuator 9 preceding or following the layer stack 10 in the longitudinal direction are designed as separately produced, piezoelectrically inactive and preferably electrically insulating end pieces, as in the second embodiment of the multilayer actuator 9. They contain, for example, a ceramic material such as aluminum nitride or lead zirconate titanate.
  • the decoupling layer 40 between the layer stack 10 and the respective end region 30 becomes the outer surface 301 of the end region 30 facing the layer stack 10, the outer surface 111 of the end region 30 facing the end region 30
  • the respective tail without attachment layer loosely on the layer stack 10, so that it is laterally movable relative to the layer stack 10.
  • the end pieces 30 and the layer stack 10 are held together only by the spring pressure built up by the spring 6 of the valve 1 - and, depending on the orientation of the gravity - together.
  • the bonding forces between the outer surfaces 111, 301 are comparatively weak in comparison to the bonding forces within the particular ceramic end region 310, which corresponds to a reduced mechanical stability of the decoupling layer 40.
  • the interface 301 of the end region 30 therefore does not follow, or only to a small extent, transverse contractions of the layer stack 10 during operation of the piezoelectric multilayer actuator.
  • the risk of uncontrolled cracks in the end regions 30 due to the transverse contraction of the layer stack 10 during operation of the multilayer actuator 9 is reduced in this way with advantage.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, it includes any combination of features in the embodiments and claims.
  • the multilayer actuators according to the first two embodiments and the further aspects of the present disclosure are also suitable for the injection valve 1.

Abstract

A piezoelectric multilayer actuator (9) is specified. The multilayer actuator (9) has a layer stack (10) which contains a plurality of piezoelectric elements (20) stacked one above the other in a longitudinal direction. It also has an end region (30) which follows the piezoelectric elements (20) in the longitudinal direction and is piezoelectrically inactive. Between the end region (30) and the layer stack (10), the multilayer actuator (9) has a decoupling layer (40), the brittleness or fluidity of which is increased with respect to the end region (30). An injection valve (1) with such a multilayer actuator (9) is also specified.

Description

Beschreibung description
Piezoelektrischer Vielschichtaktor und Einspritzventil Die vorliegende Offenbarung betrifft einen piezoelektrischen Vielschichtaktor. Zudem betrifft sie ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Vielschichtaktor. Piezoelectric Multilayer Actuator and Injector The present disclosure relates to a piezoelectric multilayer actuator. In addition, it relates to an injection valve with a piezoelectric multilayer actuator.
Piezoelektrische Vielschichtaktoren, die für Einspritzventile geeignet sind, sind beispielsweise aus der Druckschrift EP 2082444 Bl bekannt. Sie enthalten einen monolithischen Piezoelectric multilayer actuators which are suitable for injection valves are known, for example, from document EP 2082444 B1. They contain a monolithic
Schichtstapel mit einer Mehrzahl von piezoaktiven Elementen und inaktive Deckschichten an den Endflächen des Schichtstapels. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen piezoelektrischen Vielschichtaktor anzugeben, bei dem die Gefahr der Bildung unkontrollierter Risse in den inaktiven Deckschichten besonders gering ist. Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Layer stack with a plurality of piezoactive elements and inactive cover layers on the end faces of the layer stack. It is an object of the present disclosure to provide a piezoelectric multilayer actuator in which the risk of the formation of uncontrolled cracks in the inactive cover layers is particularly low. This task is performed by a piezoelectric
Vielschichtaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des  Vielschichtaktor solved with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of
Vielschichtaktors sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Einspritzventil anzugeben, das bei hohen Drücken besonders zuverlässig ist. Diese Aufgabe wird durch ein Einspritzventil gemäß dem Anspruch 10 gelöst. Es wird ein piezoelektrischer Vielschichtaktor angegeben. Der piezoelektrische Vielschichtaktor weist einen monolithischen Schichtstapel auf, der eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente enthält, die in einer Längsrichtung übereinander gestapelt sind. Jedes piezoelektrische Element enthält eine erste Elektro¬ denschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine Multilayer actuators are given in the dependent claims. It is another object of the present disclosure to provide an injector that is particularly reliable at high pressures. This object is achieved by an injection valve according to claim 10. A piezoelectric multilayer actuator is specified. The piezoelectric multilayer actuator has a monolithic layer stack including a plurality of piezoelectric elements stacked in a longitudinal direction. Each piezoelectric element includes a first electric ¬ denschicht, a second electrode layer and a
piezokeramische Schicht zwischen den Elektrodenschichten. Die piezokeramische Schicht grenzt insbesondere an gegenüberlie- genden Seiten an die erste bzw. zweite Elektrodenschicht an. Die Schichtdicke der piezokeramischen Schicht hat zum Beispiel einen Wert zwischen 40 ym und 200 ym, vorzugsweise hat sie einen Wert zwischen 50 ym und 130 ym, insbesondere zwischen 60 ym und 80 ym, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. piezoceramic layer between the electrode layers. The piezoceramic layer is particularly adjacent to sides to the first and second electrode layer. The layer thickness of the piezoceramic layer has, for example, a value between 40 and 200 ym, preferably it has a value between 50 and 130 ym, in particular between 60 ym and 80 ym, the limits are included.
Unter einer „piezokeramischen" Schicht wird im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Schicht verstanden, die einen keramischen Werkstoff enthält, der sich unter Einwirkung eines elektrischen Feldes verformt. Insbesondere ist jedes der piezoelektrischen Elemente derart aufgebaut, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung an die erste und zweite Elektrodenschicht eine Auslenkung der piezokeramischen Schicht in der Längsrichtung hervorruft. Auf diese Weise vergrößert sich die Länge des Schichtstapels, das heißt seine Ausdehnung in derIn the present context, a "piezoceramic" layer is to be understood as meaning, in particular, a layer which contains a ceramic material which deforms under the action of an electric field, In particular, each of the piezoelectric elements is constructed in such a way that the application of an electrical voltage to the first and second electrodes In this way, the length of the layer stack increases, that is, its expansion in the longitudinal direction
Längsrichtung, bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrischen Elemente. Longitudinal direction, upon application of an electrical voltage to the piezoelectric elements.
Darunter, dass der Schichtstapel ein „monolithischer" Under that the layer stack a "monolithic"
Schichtstapel ist, wird im vorliegenden Zusammenhang insbe¬ sondere verstanden, dass die zur Bildung des Schichtstapels vorgesehenen Ausgangsschichten - insbesondere die zur Bildung der ersten und zweiten Elektrodenschichten und der Layer stack is, is in the present context in particular ¬ special understood that the formation of the layer stack provided starting layers - in particular those for the formation of the first and second electrode layers and the
piezokeramischen Schichten vorgesehenen Ausgangsschichten - zu einem gemeinsamen Grünkörper gestapelt und gemeinsam zu dem Schichtstapel gesintert werden. Dabei bildet sich zweckmäßi¬ gerweise eine stabile Verbindung der Schichten untereinander aus, so dass die einzelnen piezoelektrischen Elemente insbe¬ sondere nicht mittels Klebstoffschichten miteinander verbunden werden müssen. Insbesondere ist der Schichtstapel frei von Klebstoffschichten . Piezoceramic layers provided output layers - stacked into a common green body and sintered together to form the layer stack. Here, zweckmäßi ¬ gerweise a stable connection of the layers forms from each other so that the individual piezoelectric elements in particular ¬ sondere not have to be connected together by means of adhesive layers. In particular, the layer stack is free of adhesive layers.
Zudem weist der piezoelektrische Vielschichtaktor einen Endbereich auf, der den piezoelektrischen Elementen in der In addition, the piezoelectric multilayer actuator has an end portion which is the piezoelectric elements in the
Längsrichtung nachfolgt. Insbesondere weist er einen weiteren - vorzugsweise baugleichen - Endbereich auf, der den piezoelektrischen Elementen in der Längsrichtung vorausgeht. Zur Vereinfachung bezieht sich die nachfolgende Beschreibung nur auf einen der Endbereiche. Longitudinal follows. In particular, it has a further - preferably identical - end portion, which precedes the piezoelectric elements in the longitudinal direction. to For simplicity, the following description refers to only one of the end portions.
Der Endbereich ist zweckmäßigerweise piezoelektrisch inaktiv. Vorzugsweise ist er auch elektrisch isolierend, insbesondere um den Vielschichtaktor von anderen Bauteilen elektrisch zu isolieren. Vorzugsweise ist der Endbereich somit frei von metallischen Schichten. Insbesondere enthält er keine Elekt¬ rodenschicht . The end region is expediently piezoelectrically inactive. Preferably, it is also electrically insulating, in particular in order to electrically isolate the multilayer actuator from other components. Preferably, the end region is thus free of metallic layers. In particular, it contains no Elect ¬ clear layer.
Bei einer Ausgestaltung hat eine Schichtdicke des Endbereichs einen Wert zwischen 0,2 mm und 5 mm, zum Beispiel hat sie einen Wert zwischen 0,5 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,8 mm und 1,6 mm, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Die Schichtdicke ist dabei die Abmessung des Endbereichs in In one embodiment, a layer thickness of the end region has a value between 0.2 mm and 5 mm, for example, it has a value between 0.5 mm and 3 mm, in particular between 0.8 mm and 1.6 mm, the limits each are included. The layer thickness is the dimension of the end region in
Längsrichtung . Longitudinal direction.
Bei einer Ausgestaltung enthält der Endbereich ein keramisches Material wie Aluminiumoxid oder ein piezokeramisches Material. Bei dem piezokeramischen Material handelt es sich insbesondere um ein Oxid mit Perowskit-Struktur, beispielsweise In one embodiment, the end portion includes a ceramic material such as alumina or a piezoceramic material. The piezoceramic material is, in particular, an oxide with a perovskite structure, for example
Blei-Zirkonat-Titanat. Lead zirconate titanate.
Bei einer Ausgestaltung ist der Endbereich monolithisch in den Schichtstapel integriert und vorzugsweise aus dem gleichen piezokeramischen Werkstoff gefertigt wie die piezokeramischen Schichten der piezoelektrischen Elemente. „Monolithisch in den Schichtstapel integriert" bedeutet dabei insbesondere, dass die zur Bildung des Endbereichs vorgesehene Ausgangsschicht und die zur Bildung des Schichtstapels vorgesehenen Ausgangsschichten zu einem gemeinsamen Grünkörper zusammengefügt und gemeinsam gesintert werden. In one embodiment, the end region is monolithically integrated in the layer stack and preferably made of the same piezoceramic material as the piezoceramic layers of the piezoelectric elements. "Monolithically integrated into the layer stack" means in particular that the output layer provided for forming the end region and the output layers provided for forming the layer stack are joined together to form a common green body and sintered together.
Ist der Endbereich aus einem piezokeramischen Werkstoff ge- fertigt, wird die piezoelektrische Inaktivität insbesondere dadurch erzielt, dass der Vielschichtaktor nicht dazu vorgesehen ist, mittels Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in dem Endbereich hervorzurufen. Insbesondere ist der Endbereich frei von Elektrodenschichten, die im Betrieb des Vielschichtaktors mit der an den Vielschichtaktor angelegten elektrischen Betriebsspannung versorgt sind. Weiter weist der Vielschichtaktor eine Entkopplungsschicht zwischen dem Endbereich und dem Schichtstapel auf. Insbesondere folgen der Schichtstapel, die Entkopplungsschicht und der Endbereich unmittelbar aufeinander. Mit anderen Worten grenzt die Entkopplungsschicht vorzugsweise an gegenüber liegenden Seiten an den Schichtstapel und den Endbereich an. If the end region is made of a piezoceramic material, the piezoelectric inactivity is achieved, in particular, by the fact that the multilayer actuator is not intended to produce an electric field in the end region by means of electrode layers. In particular, the end area is free of electrode layers which are supplied during operation of the multilayer actuator with the voltage applied to the multilayer actuator electrical operating voltage. Furthermore, the multilayer actuator has a decoupling layer between the end region and the layer stack. In particular, the layer stack, the decoupling layer and the end region directly follow one another. In other words, the decoupling layer preferably adjoins the layer stack and the end region on opposite sides.
Die mechanische Stabilität der Entkopplungsschicht ist gegenüber dem Endbereich verringert. Vorzugsweise ist sie auch gegenüber der mechanischen Stabilität eines dem Endabschnitt zugewandten Rand-Abschnitts des Schichtstapels verringert. The mechanical stability of the decoupling layer is reduced relative to the end region. Preferably, it is also reduced with respect to the mechanical stability of an end portion facing edge portion of the layer stack.
Darunter, dass die Entkopplungsschicht eine geringere mecha¬ nische Stabilität hat als der Endbereich bzw. als der der Entkopplungsschicht zugewandte Rand-Abschnitt des Schicht- Stapels, wird im vorliegenden Zusammenhang insbesondere verstanden, dass sich unter hinreichender Zugbelastung und/oder unter hinreichender Scherbelastung zwischen dem Endbereich und dem Schichtstapel der Endbereich im Bereich der Entkopplungsschicht von dem Schichtstapel ablöst. Insbesondere verläuft die Bruchkante dabei in der Entkopplungsschicht oder an einer Grenzfläche der Entkopplungsschicht. Including that the decoupling layer has a lower mechanical ¬ African stability than the end portion or as the decoupling layer facing edge portion of the layered stack is, in particular, understood in the present context that the under sufficient tension and / or under sufficient shear stress between End region and the layer stack of the end region in the region of the decoupling layer from the layer stack detaches. In particular, the breaking edge runs in the decoupling layer or at an interface of the decoupling layer.
Dehnen sich die piezoelektrischen Elemente im Betrieb des Vielschichtaktors aufgrund des inversen Piezoeffekts in During operation of the multilayer actuator, the piezoelectric elements expand due to the inverse piezoelectric effect
Längsrichtung aus, geht dies mit einer Verjüngung quer zur Längsrichtung einher, das heißt mit einer Verringerung des Querschnitts, sodass insbesondere das Volumen der Longitudinal, this is accompanied by a taper transverse to the longitudinal direction, that is, with a reduction in the cross-section, so that in particular the volume of
piezokeramischen Schichten konstant oder zumindest näherungsweise konstant bleibt. Dieses Verhalten wird auch als „Querkontraktion" bezeichnet. Der piezoelektrisch inaktive Endbereich ist keiner solchen Querkontraktion aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts unterworfen, so dass er bestrebt ist, seine Querschnittsabmessungen beizubehalten. n piezoceramic layers remains constant or at least approximately constant. This behavior is also referred to as "transverse contraction." The piezoelectrically inactive end region is not subject to such transverse contraction due to the inverse piezoelectric effect, so it tends to maintain its cross-sectional dimensions. n
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Bei herkömmlichen piezoelektrischen Vielschichtaktoren ist der Endbereich starr mit dem Schichtstapel gekoppelt. Beispielsweise grenzt er direkt an den Schichtstapel an, etwa an eine In conventional piezoelectric multilayer actuators, the end region is rigidly coupled to the layer stack. For example, it adjoins directly to the layer stack, such as one
Elektrodenschicht eines der piezoelektrischen Elemente, und ist monolithisch in den Schichtstapel integriert. Electrode layer of one of the piezoelectric elements, and is monolithically integrated into the layer stack.
Als Folge dieser unterschiedlichen Querkontraktion können bei herkömmlichen piezoelektrischen Vielschichtaktoren mechanische Spannungen entstehen. Die mechanischen Spannungen rufen ins- besondere eine Biegung oder zumindest eine Biegespannung in dem Endbereich hervor. Die Biegespannung ist insbesondere so gerichtet, dass die seitlichen, vorzugsweise zur Längsrichtung parallelen Außenflächen des Endbereichs in Richtung zum As a result of these different transverse contraction mechanical stresses can arise in conventional piezoelectric multilayer actuators. The mechanical stresses cause, in particular, a bend or at least a bending stress in the end region. The bending stress is in particular directed so that the lateral, preferably parallel to the longitudinal direction outer surfaces of the end portion in the direction of
Schichtstapel hingezogen werden. Die ggf. hervorgerufene Biegung führt somit insbesondere zu einer konvexen Krümmung der vom Schichtstapel abgewandten Außenfläche des Endbereichs. Layer stack are attracted. The optionally caused bending thus leads, in particular, to a convex curvature of the outer surface of the end region facing away from the layer stack.
Mittels der Entkopplungsschicht sind derartige Biegespannungen in dem Endbereich vorteilhafterweise reduziert. So ist mit Vorteil die Gefahr verringert, dass in dem Vielschichtaktor unkontrollierte Risse entstehen, welche ausgehend von dem Endbereich in Längsrichtung zu den piezoelektrischen Elementen des Schichtstapels wachsen und deren Funktionsfähigkeit be¬ einträchtigen können, beispielsweise indem sie zu elektrischen Überschlägen und damit zum Ausfall des Vielschichtaktors führen. By means of the decoupling layer, such bending stresses in the end region are advantageously reduced. Thus, advantageously, the risk is reduced that in the multilayer actuator uncontrolled cracks arise, which grow from the end region in the longitudinal direction to the piezoelectric elements of the layer stack and their operability can affect ¬ , for example by causing electrical flashovers and thus the failure of the multilayer actuator to lead.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist mittels der Entkopplungsschicht der Formschluss und/oder der Kraftschluss zwischen dem Endbereich und dem Schichtstapel aufgehoben. In an expedient embodiment, the positive connection and / or the frictional connection between the end region and the layer stack is canceled by means of the decoupling layer.
„Aufhebung des Formschlusses" bedeutet dabei insbesondere, dass der Abstand zwischen dem Endbereich und dem Schichtstapel - oder zumindest zwischen in Draufsicht auf die Längsrichtung überlappenden Teilbereichen von Endbereich und Schichtstapel - mittels der Entkopplungsschicht veränderlich ist. „Aufhebung des Kraftschlusses" bedeutet insbesondere, dass der Endbereich und der Schichtstapel - oder in Draufsicht auf die Längsrichtung überlappende Teilbereiche von Endbereich und Schichtstapel - quer zur Längsrichtung gegeneinander beweglich sind. Zweckmäßigerweise ist mittels der Entkopplungsschicht die Übertragung von quer zur Längsrichtung wirkenden Scherkräften von dem Schichtstapel auf den Endbereich gegenüber einer starren Kopplung verringert. Alternativ oder zusätzlich kann die Übertragung von Zugkräften in Längsrichtung gegenüber einer starren Kopplung verringert sein. "Lifting the positive connection" means in particular that the distance between the end region and the layer stack - or at least between overlapping in plan view of the longitudinal direction partial regions of end region and layer stack - by means of the decoupling layer is variable. "Abolition of adhesion" means in particular that the End region and the layer stack - or in plan view of the longitudinal direction overlapping partial regions of the end region and layer stack - are mutually movable transversely to the longitudinal direction. Appropriately, by means of the decoupling layer, the transmission of shear forces acting transversely to the longitudinal direction from the layer stack to the end region is reduced compared to a rigid coupling. Alternatively or additionally, the transmission of tensile forces in the longitudinal direction relative to a rigid coupling can be reduced.
Insbesondere ist die Kopplung des Endbereichs an In particular, the coupling of the end region is on
Querschnittsänderungen des Schichtstapels gegenüber einer starren Kopplung reduziert, oder der Endbereich ist vollständig gegenüber Querschnittsänderungen des Schichtstapels entkoppelt. Reduced cross-sectional changes of the layer stack with respect to a rigid coupling, or the end region is completely decoupled from cross-sectional changes of the layer stack.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung sind in der Entkopp¬ lungsschicht ein oder mehrerer Risse ausgebildet, so dass eine stellenweise oder vollständige Ablösung des Endbereichs vomAccording to at least one embodiment, one or more cracks are formed in the Entkopp ¬ lung layer, so that a locally or complete detachment of the end region from the
Schichtstapel erzielt ist. Vorzugsweise ist der Endbereich im Bereich der Entkoppelungsschicht vollständig von dem Layer stack is achieved. Preferably, the end region in the region of the decoupling layer is completely from the
Schichtstapel abgerissen. Unter einem Riss, der „in der Entkopplungsschicht ausgebildet ist", wird dabei im vorliegenden Zusammenhang auch ein Riss verstanden, der an einer Grenzfläche der Entkopplungsschicht zum Endbereich und/oder an einer Grenzfläche der Entkopplungsschicht zum Schichtstapel verläuft. Demolished layer stack. In the present context, a crack which is "formed in the decoupling layer" is also understood to mean a crack which extends at an interface of the decoupling layer to the end region and / or at an interface of the decoupling layer to the layer stack.
Die Ausbildung der Risse bzw. die Ablösung des Endbereichs von dem Schichtstapel erfolgen insbesondere nachfolgend auf dieThe formation of the cracks or the detachment of the end region from the layer stack take place in particular following on
Herstellung des piezoelektrischen Vielschichtaktors infolge von Querkontraktionen und Längsausdehnungen des Schichtstapels im Betrieb des Vielschichtaktors. Beispielsweise können sich die Risse mit der Betriebsdauer des Vielschichtaktors vergrößern und erst nach und nach zu einer vollständigen Ablösung führen. Production of the piezoelectric multilayer actuator as a result of transverse contraction and longitudinal expansion of the layer stack during operation of the multilayer actuator. For example, the cracks can increase with the service life of the multilayer actuator and only gradually lead to a complete detachment.
Vorteilhafterweise ist mittels der gegenüber dem Endbereich verringerten mechanischen Stabilität der Entkopplungsschicht die Gefahr reduziert, dass sich die Risse in den Endbereich oder in den Schichtstapel hinein ausbreiten. Vielmehr verlaufen die Risse bzw. erfolgt die Ablösung aufgrund deren geringerer mechanischer Stabilität gezielt in der Entkopplungsschicht. ^ The reduced mechanical stability of the decoupling layer compared with the end region advantageously reduces the risk of the cracks spreading into the end region or into the layer stack. Rather, the cracks or the separation takes place due to their lower mechanical stability targeted in the decoupling layer. ^
Die Gefahr von Funktionsausfällen aufgrund biegespan- nungs-induzierter Risse besteht bei Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen im besonderen Maße. Eine solche Anwendung ist ein Einspritzventil für einen Dieselmotor, bei dem Treibstoff in der Regel mit einem Druck im Bereich von 2000 bar dosiert werden muss . Der piezoelektrische Vielschichtaktor gemäß der vorliegenden Offenbarung ist daher besonders gut für ein Einspritzventil für einen Dieselmotor geeignet. The risk of functional failures due to bending stress-induced cracks is particularly pronounced in applications with high mechanical loads. One such application is an injection valve for a diesel engine in which fuel generally has to be metered at a pressure in the range of 2000 bar. The piezoelectric multilayer actuator according to the present disclosure is therefore particularly well suited for an injection valve for a diesel engine.
Bei einer Ausgestaltung besitzt die Entkopplungsschicht eine größere Sprödigkeit als der Endbereich und vorzugsweise auch eine größere Sprödigkeit als ein an die Entkopplungsschicht an¬ grenzender Rand-Abschnitt des Schichtstapels, wodurch die verringerte mechanische Stabilität erzielt ist. In one embodiment, the decoupling layer has a higher brittleness than the end region, and preferably also a greater brittleness as a bordering on the decoupling layer to ¬ edge portion of the layer stack, whereby the reduced mechanical stability is achieved.
Beispielsweise ist die Entkopplungsschicht eine poröse kera¬ mische Schicht. Eine „keramische Schicht" ist aus einem ke¬ ramischen Material gefertigt. Ein keramisches Material weist Partikel und Hohlräume auf. Unter einer „porösen keramischen Schicht" wird im vorliegenden Zusammenhang eine keramische Schicht verstanden, bei der der Volumenanteil der Hohlräume größer ist als der Volumenanteil der Hohlräume in dem Endbereich, falls dieser keramisches Material enthält, oder in dem kera¬ mischen Material der piezokeramischen Schichten, wodurch insbesondere die verringerte mechanische Stabilität erzielt ist. For example, the decoupling layer is a porous Kera ¬ mix layer. A "ceramic layer" is made of a ke ¬ ramischen material. A ceramic material comprises particles and cavities. By a "porous ceramic layer" a ceramic layer is meant in the present context in which the volume percentage of the voids is greater than the volume fraction the cavities in the end region, if it contains ceramic material, or in the kera ¬ mixing material of the piezoceramic layers, whereby in particular the reduced mechanical stability is achieved.
Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Entkopplungsschicht eine durchbrochene Metallschicht. Die durchbrochene Metallschicht weist beispielsweise eine Vielzahl von Metallinseln und min- destens einen Hohlraum auf, der die Metallinseln umgibt. Alternativ kann es sich bei der durchbrochenen Metallschicht auch um eine Metallschicht handeln, die mit einer Vielzahl von Hohlräumen durchsetzt ist, wobei der Hohlraum bzw. die Hohlräume die Entkopplungsschicht in Längsrichtung vorzugsweise voll- ständig durchdringen. Die Metallschicht bzw. die Metallinseln weisen bei einer Weiterbildung Silber auf oder bestehen daraus. Vorteilhafterweise ist die Bindung zwischen dem Endbereich und einer durchbrochenen Metallschicht vergleichsweise gering und die Metallinseln bzw. die mit Hohlräumen durchsetzte Metall¬ schicht ist vergleichsweise leicht verformbar, wodurch ins- besondere die verringerte mechanische Stabilität der durch¬ brochenen Metallschicht erzielt ist. So erfolgt vorzugsweise bei Querkontraktion und Längsausdehnung des Schichtstapels eine Verformung und/oder eine zumindest partielle Ablösung der Metallschicht von dem Endbereich und/oder von dem Schichtstapel . Auf diese Weise werden Scher- und Zugkräfte nur in ver¬ gleichsweise geringem Maß vom Schichtstapel auf den Endbereich übertragen, so dass der Endbereich auch nur mit einer vergleichsweise geringen Biegespannung beaufschlagt wird. Bei einer weiteren Ausgestaltung ist die Entkopplungsschicht eine keramische Schicht, bei der die Partikel des keramischen Materials nur schwach untereinander verbunden sind. Beispielsweise sind die Partikel der keramischen Entkopplungs¬ schicht schwächer untereinander verbunden als die Partikel des Endbereichs wenn dieser aus einem keramischen Werkstoff ge¬ fertigt ist. In diesem Fall haben die Sinterhälse zwischen den Partikeln der Entkopplungsschicht insbesondere im Mittel einen geringeren Querschnitt als die Sinterhälse zwischen den Par¬ tikeln des Endbereichs. Vorzugsweise ist die als keramische Schicht ausgeführte Entkopplungsschicht frei von metallischen Schichten, insbesondere Innenelektrodenschichten . In another embodiment, the decoupling layer is a perforated metal layer. For example, the perforated metal layer has a plurality of metal islands and at least one cavity surrounding the metal islands. Alternatively, the perforated metal layer may also be a metal layer which is interspersed with a multiplicity of cavities, wherein the cavity or the cavities preferably completely penetrate the decoupling layer in the longitudinal direction. The metal layer or the metal islands have in a further development of silver or consist thereof. Advantageously, the bond between the end portion and a perforated metal layer is comparatively low and the metal islands or interspersed with cavities ¬ metal layer is relatively easily deformable whereby in particular the reduced mechanical stability is achieved by ¬ rupted metal layer. Thus, in the case of transverse contraction and longitudinal extent of the layer stack, deformation and / or at least partial detachment of the metal layer from the end region and / or from the layer stack is preferably carried out. In this way, shear and tensile forces are transmitted only in ver ¬ comparatively small extent from the layer stack on the end region, so that the end portion is acted upon only with a comparatively low bending stress. In a further embodiment, the decoupling layer is a ceramic layer in which the particles of the ceramic material are only weakly interconnected. For example, the particles of the ceramic layer are weaker decoupling ¬ interconnected than the particles of the end portion when this is made ¬ ge of a ceramic material. In this case, the sintering necks between the particles of the decoupling layer in particular in the means have a smaller cross section than the sintering necks between the Par ¬ tikeln of the end portion. The decoupling layer embodied as a ceramic layer is preferably free of metallic layers, in particular internal electrode layers.
Die beispielsweise als durchbrochene Metallschicht oder als poröse keramische Schicht ausgebildete Entkopplungsschicht ist bei einer Ausgestaltung monolithisch in den Schichtstapel integriert. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist in diesem Fall auch der Endbereich monolithisch mit dem Schichtstapel und der Entkopplungsschicht gefertigt. Das bedeutet insbesondere, dass bei der Herstellung des Vielschichtaktors die zu Bildung des Schichtstapels, der Entkopplungsschicht und ggf . des Endbereichs vorgesehenen Ausgangsschichten zu einem gemeinsamen Grünkörper zusammengefügt und zu gemeinsam gesintert werden. Beispielsweise in diesem Fall der monolithischen Integration der Entkopplungsschicht bzw. der Entkopplungsschicht und des Endbereichs kann es - zum Beispiel aus fertigungstechnischen Gründen - erforderlich oder erwünscht sein, dass der The decoupling layer formed, for example, as a perforated metal layer or as a porous ceramic layer is monolithically integrated in the layer stack in one embodiment. In an advantageous development, in this case also the end region is produced monolithically with the layer stack and the decoupling layer. This means in particular that in the production of the multilayer actuator to the formation of the layer stack, the decoupling layer and, if necessary. of the end region provided starting layers are joined together to a common green body and sintered together. For example, in this case, the monolithic integration of the decoupling layer or the decoupling layer and the end region may - for example for manufacturing reasons - be required or desirable that the
Schichtstapel einen piezoelektrisch inaktiven Rand-Abschnitt aufweist, der zwischen den piezoelektrischen Elementen und der Entkopplungsschicht angeordnet ist und insbesondere an die Entkopplungsschicht und an eines der piezoelektrischen Elemente angrenzt. Der piezoelektrisch inaktive Rand-Abschnitt ist beispielsweise aus dem gleichen piezokeramischen Material gefertigt wie die piezokeramischen Schichten der piezoelektrischen Elemente. Der piezoelektrisch inaktive Rand-Abschnitt ist vorzugsweise frei von metallischen Schichten, insbesondere Innenelektrodenschichten . Layer stack has a piezoelectrically inactive edge portion which is arranged between the piezoelectric elements and the decoupling layer and in particular adjacent to the decoupling layer and to one of the piezoelectric elements. The piezoelectrically inactive edge section is made, for example, from the same piezoceramic material as the piezoceramic layers of the piezoelectric elements. The piezoelectrically inactive edge section is preferably free of metallic layers, in particular internal electrode layers.
Weist der Schichtstapel einen piezoelektrisch inaktiven The layer stack has a piezoelectrically inactive
Rand-Abschnitt auf, ist dessen Schichtdicke zweckmäßigerweise möglichst klein. Beispielsweise hat sie einen Wert von 100 Mikrometer oder weniger, bei einer Weiterbildung von 50 ym oder weniger, zum Beispiel von 30 ym oder weniger. Insbesondere hat die Schichtdicke einen Wert von einem Mikrometer oder größer, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Edge section on, the layer thickness is expediently as small as possible. For example, it has a value of 100 microns or less, in a development of 50 ym or less, for example, of 30 ym or less. In particular, the layer thickness has a value of one micron or greater, with the limits included.
Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Entkopplungsschicht von einer KlebstoffSchicht gebildet. Beispielsweise bei dieser Ausführungsform ist der Endbereich vorzugsweise als separat gefertigtes Endstück ausgebildet. In another embodiment, the decoupling layer is formed by an adhesive layer. For example, in this embodiment, the end portion is preferably formed as a separately manufactured tail.
Bei einer Ausgestaltung hat die KlebstoffSchicht eine größere Fluidität - und damit eine geringere mechanische Stabilität - als der Endbereich. Die Fluidität ist dabei der Kehrwert der Viskosität. Auf diese Weise ist die KlebstoffSchicht insbe¬ sondere dazu ausgebildet, Scher- und/oder Zugkräfte aufzunehmen, so dass diese nicht oder nur in vergleichsweise geringem Maß vom Schichtstapel auf den Endbereich übertragen werden. Als In one embodiment, the adhesive layer has a greater fluidity - and thus a lower mechanical stability - than the end region. The fluidity is the reciprocal of the viscosity. In this way, the adhesive layer is in particular ¬ special designed to absorb shear and / or tensile forces, so that they are not transmitted or only in a relatively small extent from the layer stack to the end. When
Klebstoff ist beispielsweise ein Silikonharz geeignet. Alternativ kann auch ein Klebstoff verwendet sein, der eine größere Sprödigkeit als der Endbereich aufweist, so dass sich bei Längsausdehnung und Querkontraktion des Schichtstapels im Betrieb des Vielschichtaktors innerhalb der KlebstoffSchicht oder an der Grenzfläche zwischen KlebstoffSchicht und Endbereich bzw. Schichtstapel Risse bilden oder eine vollflächige Ablösung erfolgt . Adhesive, for example, a silicone resin is suitable. Alternatively, it is also possible to use an adhesive which has a greater brittleness than the end region, such that cracks develop during longitudinal expansion and transverse contraction of the layer stack during operation of the multilayer actuator within the adhesive layer or at the interface between the adhesive layer and end region or layer stack, or over a full-area peel he follows .
Bei einer anderen Ausgestaltung ist der Endbereich von dem Schichtstapel separat gefertigt und liegt lose auf den In another embodiment, the end portion of the layer stack is made separately and is loose on the
Schichtstapel auf. Insbesondere ist bei dieser Ausgestaltung kein zusätzliches Material zwischen dem Schichtstapel und dem Endbereich eingebracht. Vielmehr wird die Entkopplungsschicht von den einander gegenüber liegenden Außenflächen des Endbe- reichs und des Schichtstapels gebildet. Insbesondere aufgrund der vergleichsweise geringen Bindungskräfte, die zwischen diesen Grenzflächen wirken, ist in diesem Fall die verringerte mechanische Stabilität der Entkopplungsschicht erzielt. Der Endbereich ist auf diese Weise insbesondere quer zur Längs- richtung auf dem Schichtstapel gleitend gelagert und ist in Layer stack on. In particular, no additional material is introduced between the layer stack and the end region in this embodiment. Rather, the decoupling layer is formed by the opposing outer surfaces of the end region and of the layer stack. In particular, due to the relatively low binding forces acting between these interfaces, the reduced mechanical stability of the decoupling layer is achieved in this case. The end region is thus slidably mounted on the layer stack, in particular transversely to the longitudinal direction, and is in
Längsrichtung von dem Schichtstapel abnehmbar. Mit Vorteil wird auf diese Weise eine besonders gute Entkopplung des Endbereichs von dem Schichtstapel hinsichtlich Scher- und Zugkräften erzielt. Gemäß einer Weiterbildung kann hierbei der Endbereich direkt an eine Elektrodenschicht eines piezoelektrischen Elementes des Schichtstapels angrenzen. Removable longitudinally from the layer stack. Advantageously, a particularly good decoupling of the end region from the layer stack with respect to shear and tensile forces is achieved in this way. According to a development, the end region can adjoin directly to an electrode layer of a piezoelectric element of the layer stack.
Der Schichtstapel kann einen Übergangsbereich aufweisen, der mehrere der piezoelektrischen Elemente enthält, wobei in dem Übergangsbereich die Schichtdicke jeweils in Längsrichtung aufeinander folgender piezoelektrischer Elemente in Richtung zu dem Endbereich hin zunimmt. Beispielsweise haben die in dem Übergangsbereich angeordneten piezoelektrischen Elemente größere Schichtdicken als piezoelektrische Elemente, die auf der vom Endbereich abgewandten Seite des Übergangsbereichs in Schichtstapel angeordnet sind. Als „Schichtdicke" wird im vorliegenden Zusammenhang die jeweilige Ausdehnung in Längsrichtung verstanden. Mit zunehmender Schichtdicke nimmt die Längsauslenkung der piezoelektrischen Elemente in Längsrichtung ab, womit auch die Querkontraktion des jeweiligen piezoelektrischen Elements geringer wird. Auf diese Weise kann mit dem Übergangsbereich die auf den Endbereich wirkende Biegespannung weiter reduziert sein. The layer stack can have a transition region which contains a plurality of the piezoelectric elements, wherein in the transition region the layer thickness increases in each case in the longitudinal direction of successive piezoelectric elements in the direction towards the end region. By way of example, the piezoelectric elements arranged in the transition region have greater layer thicknesses than piezoelectric elements which are arranged in the layer stack on the side of the transition region facing away from the end region. In the present context, the term "layer thickness" is understood to mean the respective extent in the longitudinal direction. As the layer thickness increases, the longitudinal deflection of the piezoelectric elements decreases in the longitudinal direction, which also reduces the transverse contraction of the respective piezoelectric element. In this way, with the transition region, the bending stress acting on the end region can be further reduced.
Bei den mit der Entkopplungsschicht ausgestatteten Viel- schichtaktoren gemäß der vorliegenden Offenbarung kann mit Vorteil auf einen solchen Übergangsbereich verzichtet sein, so dass die piezoelektrischen Elemente, die dem Endbereich benachbart sind, dieselben Schichtdicken haben können wie die von dem Endbereich weiter entfernten piezoelektrischen Elemente. Beispielsweise enthält der piezoelektrische Vielschichtaktor ein erstes piezoelektrisches Element, das dem Endbereich be¬ nachbart ist und ein zweites piezoelektrisches Element, das einen größeren Abstand von dem Endbereich hat, wobei das erste und das zweite piezoelektrische Element gleiche Schichtdicken haben. Dass das erste piezoelektrische Element dem Endbereich be¬ nachbart ist, bedeutet dabei insbesondere, dass keine weiteren piezoelektrischen Elemente des Schichtstapels zwischen dem ersten piezoelektrischen Element und dem Endbereich angeordnet sind. Auf diese Weise ist bei gleicher Längsausdehnung des Schichtstapels gegenüber Schichtstapeln mit Übergangsbereich eine größere Auslenkung in Längsrichtung erzielbar. In the multilayer actuators provided with the decoupling layer according to the present disclosure, such a transition region may advantageously be dispensed with, so that the piezoelectric elements adjacent to the end region may have the same layer thicknesses as the piezoelectric elements further away from the end region. For example, the piezoelectric multilayer actuator includes a first piezoelectric element that is be ¬ nachbart the end portion and a second piezoelectric element which has a greater distance from the end portion, wherein, the first and the second piezoelectric element same layer thicknesses. That the first piezoelectric element is be ¬ nachbart the end region, in particular in this context means that no more piezoelectric elements of the layer stack between the first piezoelectric element and the end portion are arranged. In this way, a greater deflection in the longitudinal direction can be achieved with the same longitudinal extent of the layer stack compared to layer stacks with transition region.
Figurenbeschreibung figure description
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei- terbildungen des piezoelektrischen Vielschichtaktors und des Einspritzventils ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen. Further advantages and advantageous embodiments and further developments of the piezoelectric multilayer actuator and of the injection valve will become apparent from the following exemplary embodiments illustrated in conjunction with the figures.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch einen piezoelektrischen Vielschichtaktor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 2a einen Ausschnitt des Vielschichtaktors gemäß der Figur 1 im spannungslosen Zustand, 1 shows a schematic cross section through a piezoelectric multilayer actuator according to a first embodiment, FIG. 2 a shows a detail of the multilayer actuator according to FIG. 1 in the de-energized state,
Figur 2b den Ausschnitt der Figur 2a bei anliegender FIG. 2b shows the section of FIG. 2a when it is in abutment
Betriebsspannung,  Operating voltage,
Figur 3 einen piezoelektrischen Vielschichtaktor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und 3 shows a piezoelectric multilayer actuator according to a second embodiment, and
Figur 4 ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen 4 shows an injection valve with a piezoelectric
Vielschichtaktor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel . In den Figuren und Ausführungsbeispielen sind gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente mit denselben Be¬ zugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgetreu zu betrachten. Beispielsweise können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit oder zum besseren Verständnis übertrieben groß bzw. dick dargestellt sein. Multilayer actuator according to a third embodiment. In the figures and embodiments of same, similar or equivalent elements having the same reference numbers are provided ¬ Be. The figures and the proportions of the elements shown in the figures are not to be considered as true to scale. For example, individual elements can be shown exaggeratedly large or thick for better representability or better understanding.
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines piezoelektrischen Vielschichtaktors 9 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of a piezoelectric multilayer actuator 9 according to a first embodiment.
Der piezoelektrische Vielschichtaktor 9 weist einen Schicht¬ stapel 10 auf, der eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 20 enthält. Jedes piezoelektrische Element 20 ist aus einer ersten Elektrodenschicht 21, einer piezokeramischen Schicht 22 und einer zweiten Elektrodenschicht 23 aufgebaut. Die piezo- keramische Schicht 22 ist zwischen den beiden Elektrodenschichten 21, 23 angeordnet und grenzt insbesondere an diese an. Vorliegend enthält der Schichtstapel 10 an mehreren Stellen zwischen zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Elementen 20 jeweils eine Sollbruchschicht 15. Vorliegend sind die Sollbruchschichten 15 dazu ungeeignet, als Elektrodenschichten zu fungieren. Insbesondere haben sie eine für Elektrodenschichten unzureichende Leitfähigkeit quer zur Längsrichtung 100. Die Sollbruchschichten 15 können zum Beispiel zwischen piezoelektrisch inaktiven keramischen Schichten des Schicht- Stapels 10 angeordnet sein. The piezoelectric multilayer actuator 9 has a stack ¬ stack 10, which contains a plurality of piezoelectric elements 20. Each piezoelectric element 20 is made up of a first electrode layer 21, a piezoceramic layer 22 and a second electrode layer 23. The piezo-ceramic layer 22 is arranged between the two electrode layers 21, 23 and adjoins them in particular. In the present case, the layer stack 10 contains a predetermined breaking layer 15 at several locations between two successive piezoelectric elements 20. In the present case, the predetermined breaking layers 15 are unsuitable for this purpose, as electrode layers to act. In particular, they have an insufficient conductivity for electrode layers transverse to the longitudinal direction 100. The predetermined breaking layers 15 may for example be arranged between piezoelectrically inactive ceramic layers of the layer stack 10.
Solche Sollbruchschichten sind dem Fachmann im Prinzip bekannt. Beispielsweise handelt es sich bei den Sollbruchschichten um durchbrochene Metallschichten oder poröse keramische Schichten. Derartige Sollbruchschichten sind beispielsweise in der Such predetermined breaking layers are known to those skilled in principle. For example, the predetermined breaking layers are perforated metal layers or porous ceramic layers. Such predetermined breaking layers are for example in the
WO2009/092584 AI, der EP 2082444 Bl und der DE 10 2010 006587 AI bekannt, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich der Ausge¬ staltung und Anordnung der Sollbruchschichten in die vorliegende Offenbarung durch Rückbezug aufgenommen wird. WO2009 / 092584 AI, EP 2082444 Bl and DE 10 2010 006587 AI known, the disclosure of which is taken over in the present disclosure by reference with respect to the ¬ staltung and arrangement of the predetermined breaking layers.
Bei einer anderen, in den Figuren nicht dargestellten Ausgestaltung sind die Sollbruchschichten 15 jeweils in einem der piezoelektrischen Elemente 20 enthalten. Beispielsweise folgen in oder entgegen der Längsrichtung 100 die erste Elektroden- schicht 21, ein erster Abschnitt der piezokeramischen Schicht 22 , die Sollbruchschicht 15, ein zweiter Abschnitt der In another embodiment, not shown in the figures, the predetermined breaking layers 15 are each contained in one of the piezoelectric elements 20. For example, in or against the longitudinal direction 100, the first electrode layer 21, a first section of the piezoceramic layer 22, the predetermined breaking layer 15, a second section of the
piezokeramischen Schicht 22 und die zweite Elektrodenschicht 23 in dieser Reihenfolge aufeinander. Den piezoelektrischen Elementen 20 folgt in der Längsrichtung 100 ein optionaler Rand-Abschnitt 11 des Schichtstapels nach, der beispielsweise von einer piezoelektrisch inaktiven keramischen Schicht gebildet ist. Der Rand-Abschnitt 11 weist vorzugsweise das gleiche piezokeramische Material auf wie die piezoceramic layer 22 and the second electrode layer 23 in this order. The piezoelectric elements 20 are followed in the longitudinal direction 100 by an optional edge section 11 of the layer stack, which is formed, for example, by a piezoelectrically inactive ceramic layer. The edge portion 11 preferably has the same piezoceramic material as the
piezokeramischen Schichten 22. Er hat vorzugsweise eine Piezoceramic layers 22. He preferably has a
Schichtdicke von 100 ym oder weniger, vorzugsweise von 50 ym oder weniger .  Layer thickness of 100 ym or less, preferably 50 ym or less.
Bei dem Schichtstapel 10 handelt es sich vorliegend um einen monolithischen Schichtstapel, das bedeutet insbesondere, dass die zur Bildung der piezoelektrischen Elemente 20, der Sollbruchschichten 15 sowie gegebenenfalls des Rand-Abschnitts 11 und der piezoelektrisch inaktiven keramischen Schichten vor- gesehenen Ausgangsschichten zu einem gemeinsamen Grünkörper gestapelt und gemeinsam gesintert werden. Insbesondere sind die einzelnen piezoelektrischen Elemente nicht mittels Klebstoffschichten miteinander verbunden. In the present case, the layer stack 10 is a monolithic layer stack, which means, in particular, that the ceramic layers forming the piezoelectric elements 20, the predetermined breaking layers 15 and optionally the edge section 11 and the piezoelectrically inactive ceramic layers are provided. Seen starting layers are stacked into a common green body and sintered together. In particular, the individual piezoelectric elements are not interconnected by means of adhesive layers.
Der Rand-Abschnitt 11 grenzt an seiner von den piezoelektrischen Elementen 20 abgewandten Seite an eine Entkoppelungsschicht 40 an, die an ihrer vom Schichtstapel 10 abgewandten Seite an einem Endbereich 30 des Vielschichtaktors angrenzt. The edge portion 11 abuts on its side facing away from the piezoelectric elements 20 side to a decoupling layer 40, which adjoins on its side facing away from the layer stack 10 side to an end portion 30 of the multilayer actuator.
Vorliegend und bevorzugt gehen den piezoelektrischen Elementen 20 entgegen der Längsrichtung 100 auch ein Rand-Abschnitt 11 des Schichtstapels 10 sowie eine Entkoppelungsschicht 40 und ein weiterer Endbereich 30 des Vielschichtaktors 9 voraus, so dass die piezoelektrischen Elemente 20 in Längsrichtung zwischen zwei insbesondere baugleichen Endbereichen 30 und Entkoppelungs- schichten 40 eingeschlossen sind. In the present case and preferably, the piezoelectric elements 20 are also preceded by an edge section 11 of the layer stack 10 and a decoupling layer 40 and a further end section 30 of the multilayer actuator 9, so that the piezoelectric elements 20 extend longitudinally between two end sections 30 and 30 of identical construction Decoupling layers 40 are included.
Der Vielschichtaktor weist zudem eine erste Anschlusselektrode 12 und eine zweite Anschlusselektrode 13 auf, deren Haupter- streckungsebenen insbesondere parallel zur Längsrichtung verlaufen und die auf verschiedene Seitenflächen des The multilayer actuator also has a first connection electrode 12 and a second connection electrode 13, the main extension planes of which extend in particular parallel to the longitudinal direction and which extend to different side surfaces of the
Schichtstapels 10 aufgebracht sind. Zweckmäßigerweise sind die ersten Elektrodenschichten 21 mit der ersten Anschlusselektrode elektrisch leitfähig miteinander verbunden und die zweiten Elektrodenschichten sind mit der zweiten Anschlusselektrode elektrisch leitend verbunden. Auf diese Weise ist die Polarität der ersten Elektrodenschichten untereinander gleich, die Polarität der zweiten Elektrodenschichten ist untereinander gleich und die Polaritäten der ersten und zweiten Elektrodenschichten sind voneinander verschieden. Layer stack 10 are applied. Expediently, the first electrode layers 21 are electrically conductively connected to one another with the first connection electrode, and the second electrode layers are electrically conductively connected to the second connection electrode. In this way, the polarity of the first electrode layers is equal to each other, the polarity of the second electrode layers is equal to each other, and the polarities of the first and second electrode layers are different from each other.
Bei Anlegen einer elektrischen Betriebsspannung zwischen der ersten und zweiten Anschlusselektrode 12, 13 werden mittels der ersten und zweiten Elektrodenschichten 21, 23 elektrische Felder in den piezokeramischen Schichten 22 hervorgerufen, welche eine Expansion der piezokeramischen Schichten 22 und damit des Schichtstapels 10 in der Längsrichtung 100 bewirken. Mit der Expansion in Längsrichtung geht eine Kontraktion der When an electrical operating voltage is applied between the first and second connection electrodes 12, 13, electric fields are produced in the piezoceramic layers 22 by means of the first and second electrode layers 21, 23, which cause an expansion of the piezoceramic layers 22 and thus of the layer stack 10 in the longitudinal direction 100 , With the Expansion in the longitudinal direction is a contraction of the
Querschnittsfläche des Schichtstapels 10 quer zur Längsrichtung 100 einher („Querkontraktion"), so dass das Volumen des Cross-sectional area of the layer stack 10 transverse to the longitudinal direction 100 ("transverse contraction"), so that the volume of the
Schichtstapels 10 zumindest näherungsweise konstant bleibt. Layer stack 10 remains at least approximately constant.
Die Endbereiche 30 sind piezoelektrisch inaktiv, insbesondere da sie nicht zwischen zwei Elektrodenschichten 21, 23 angeordnet sind. Zudem sind sie elektrisch isolierend. Vorliegend sind sie aus dem gleichen piezokeramischen Material gefertigt wie die piezokeramischen Schichten 22. The end regions 30 are piezoelectrically inactive, in particular since they are not arranged between two electrode layers 21, 23. In addition, they are electrically insulating. In the present case, they are made from the same piezoceramic material as the piezoceramic layers 22.
Wären die Endbereiche 30 starr, insbesondere kraft- und formschlüssig, mit dem Schichtstapel 10 verbunden, würden aufgrund der unterschiedlichen Querkontraktion von Schicht- Stapel 10 und Endbereichen 30 mechanische Spannungen in den Endbereichen auftreten, die insbesondere eine Biegung der Endbereiche 30 hervorrufen würden. If the end regions 30 were rigidly connected, in particular frictionally and positively, to the layer stack 10, due to the different transverse contraction of layer stack 10 and end regions 30, mechanical stresses would occur in the end regions, which would in particular cause a bending of the end regions 30.
Die Entkoppelungsschichten 40 sind dazu vorgesehen, die Kopplung der Endbereiche 30 an den Schichtstapel 10 gegenüber The decoupling layers 40 are provided to oppose the coupling of the end regions 30 to the layer stack 10
Querschnittsänderungen des Schichtstapels 10 im Vergleich zu einer starren Kopplung zu reduzieren. Insbesondere ist mittels der Entkoppelungsschichten 40 die Übertragung von quer zur Längsrichtung 100 wirkenden Scherkräften von dem Schichtstapel 10 auf die Endbereiche 30 verringert.  To reduce cross-sectional changes of the layer stack 10 compared to a rigid coupling. In particular, the transfer of shear forces acting transversely to the longitudinal direction 100 from the layer stack 10 to the end regions 30 is reduced by means of the decoupling layers 40.
Dies ist in den Figuren 2a und 2b, die Ausschnitte des This is in the figures 2a and 2b, the cutouts of
Vielschichtaktors gemäß der Figur 1 zeigen, genauer dargestellt. Figur 2a zeigt einen der Endbereiche 30 und den benachbarten Rand-Abschnitt 11 des Schichtstapels 10 mit der dazwischen angeordneten Entkopplungsschicht 40 im spannungslosen Zustand des Vielschichtaktors. Figur 2b zeigt den Ausschnitt der Figur 2a bei an die An¬ schlusselektroden 12, 13 angelegter Betriebsspannung. Die Entkopplungsschicht 40 ist vorliegend von einer durch¬ brochenen Metallschicht gebildet. Die durchbrochene Metall¬ schicht ist beispielsweise aus einer Vielzahl von Metallinseln 41 und einem oder mehreren Hohlräumen 42 zusammengesetzt. Beispielsweise ist mittels der metallischen Inseln 41 ein lateral zusammenhängender, netzförmiger Hohlraum 42 ausgebildet. Der oder die Hohlräume 42 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Schichtdicke - das ist die Ausdehnung in Längsrichtung 100 - der Entkopplungsschicht 40. Eine solche Entkopplungs- schicht 40 mit Metallinseln 41 ist mit Vorteil zwischen dem keramischen Endbereich 30 und dem keramischen Rand-Abschnitt 11 besonders gut herstellbar. Vielschichtaktors according to the figure 1 show, shown in more detail. FIG. 2a shows one of the end regions 30 and the adjacent edge section 11 of the layer stack 10 with the decoupling layer 40 arranged therebetween in the de-energized state of the multilayer actuator. FIG. 2 b shows the section of FIG. 2 a when the operating voltage is applied to the terminal electrodes 12, 13. The decoupling layer 40 is herein formed by a rupted by ¬ metal layer. The perforated metal ¬ layer is composed for example of a plurality of metal islands 41 and one or more cavities 42. For example, by means of the metallic islands 41 a laterally connected, net-shaped cavity 42 is formed. The cavity or cavities 42 preferably extend over the entire layer thickness-that is, the extension in the longitudinal direction 100-of the decoupling layer 40. Such a decoupling layer 40 with metal islands 41 is particularly advantageous between the ceramic end region 30 and the ceramic edge section 11 good to produce.
Derartige durchbrochene Metallschichten sind für einen anderen Zweck beispielsweise aus den Druckschriften WO 2009/092584 AI und EP 2 082 444 Bl bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieser Such perforated metal layers are known for another purpose, for example from the documents WO 2009/092584 AI and EP 2 082 444 Bl. The revelation content of this
Druckschriften hinsichtlich Aufbau und Herstellung der durchbrochenen Metallschichten wird hiermit durch Rückbezug in die vorliegende Offenbarung aufgenommen. Documents with regard to construction and production of the perforated metal layers is hereby incorporated by reference into the present disclosure.
Aufgrund der starren Kopplung des Rand-Abschnitts 11 des Schichtstapels 10 an die piezoelektrischen Elemente 20 ist dieser bei angelegter Betriebsspannung quer zur Längsrichtung kontrahiert, angedeutet durch die Pfeile 150 in Figur 2b, und in Längsrichtung 100 ausgelenkt. Auf diese Weise ist eine me¬ chanische Biegespannung hervorgerufen. Due to the rigid coupling of the edge portion 11 of the layer stack 10 to the piezoelectric elements 20 this is contracted transversely to the longitudinal direction with applied operating voltage, indicated by the arrows 150 in Figure 2b, and deflected in the longitudinal direction 100. In this way, a me ¬ chanic bending stress is caused.
Die Kopplung der Metall-Inseln 41 an den Endbereich 30 ist vergleichsweise schwach, so dass die mechanische Stabilität der Entkopplungsschicht 40 gegenüber dem Endbereich 30 und dem Rand-Abschnitt 11 verringert ist. Dies führt dazu, dass die Biegespannung im Betrieb des Vielschichtaktors 9 Risse 45 in der Entkopplungsschicht 40 hervorruft, wodurch der Kraft- und Formschluss zwischen den einander zugewandten Grenzflächen des Endabschnitts 11 und des Endbereichs 30 aufgehoben ist, so dass die Grenzflächen 301, 111 quer zur Längsrichtung 100 zumindest stellenweise zueinander beweglich sind. Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist die Ent¬ kopplungsschicht 40 eine poröse keramische Schicht. Eine solche poröse keramische Schicht ist für einen anderen Zweck bei¬ spielsweise aus der Druckschrift DE 10 2010 006 587 AI bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift hinsichtlich Aufbau und Herstellung der porösen keramischen Schicht wird hiermit per Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. The coupling of the metal islands 41 to the end region 30 is comparatively weak, so that the mechanical stability of the decoupling layer 40 with respect to the end region 30 and the edge section 11 is reduced. As a result, the bending stress during operation of the multilayer actuator 9 causes cracks 45 in the decoupling layer 40, whereby the force and form fit between the facing interfaces of the end portion 11 and the end portion 30 is canceled, so that the boundary surfaces 301, 111 transverse to Longitudinal direction 100 at least in places are mutually movable. In a variant of this embodiment, the Ent ¬ coupling layer 40 is a porous ceramic layer. Such a porous ceramic layer is known for another purpose in ¬ example from the document DE 10 2010 006 587 AI. The disclosure of this document with regard to construction and production of the porous ceramic layer is hereby incorporated by reference into the present application.
Figur 3 zeigt einen piezoelektrischen Vielschichtaktor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer schematischen QuerSchnittsdarstellung . Figure 3 shows a piezoelectric multilayer actuator according to a second embodiment in a schematic cross-sectional view.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Schichtstapel 10 in Längsrichtung 100 von Elektrodenschichten 21 bzw. 23 begrenzt. So können keine Verspannungen zwischen den piezoelektrischen Elementen und piezoelektrisch inaktiven Rand-Abschnitten 11 auftreten, die mit der Gefahr von unkontrollierter Rissbildung einhergehen. Es kann jedoch auch, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, an einem oder beiden längsseitigen Enden ein Rand-Abschnitt 11 aus einem piezokeramischen Material in dem Schichtstapel 10 ausgebildet sein, der piezoelektrisch inaktiv ist . In the second exemplary embodiment, the layer stack 10 is delimited in the longitudinal direction 100 by electrode layers 21 and 23, respectively. Thus, no tension between the piezoelectric elements and piezoelectrically inactive edge portions 11 occur, which are associated with the risk of uncontrolled cracking. However, as in the case of the first exemplary embodiment, it is also possible for an edge section 11 made of a piezoceramic material to be formed in the layer stack 10 at one or both longitudinal ends which is piezoelectrically inactive.
Im Unterschied zu dem Vielschichtaktor gemäß dem ersten Aus- führungsbeispiel enthält der Schichtstapel 10 bei dem vor¬ liegenden zweiten Ausführungsbeispiel an den in Längsrichtung 100 gegenüberliegenden Enden Übergangsbereiche R, die jeweils mehrere piezoelektrische Elemente mit ihren Elektrodenschichten 21, 23 enthalten. Die Abstände aufeinanderfolgender Elektro- denschichten - die den Schichtdicken der jeweiligen piezoelektrischen Elemente 20 entsprechen - nehmen in Richtung zu dem dem Übergangsbereich R jeweils benachbarten Endbereich 30 hinzu, insbesondere ist dRi < dR2 < dR3. Auf diese Weise ist die mechanische Spannung zu dem benachbarten Endbereich 30 reduziert, da mit zunehmenden Abstand dRi, dR2 bzw. dR3 die Auslenkung des jeweiligen piezoelektrischen Elements 20 in Längsrichtung und die entsprechende Querkontraktion abnehmen. Solche Schichtstapel mit Übergangsbereichen R sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift US 7,042,143 B2, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird. Solche Schichtstapel mit Übergangsbereichen R sind auch für die Vielschichtaktoren gemäß den Ausgestaltungen und Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung geeignet. In contrast to the multilayer actuator according to the first exemplary embodiment, the layer stack 10 in the present exemplary embodiment has transition regions R at the ends opposite in the longitudinal direction 100, which each contain a plurality of piezoelectric elements with their electrode layers 21, 23. The spacings of successive electrode layers - which correspond to the layer thicknesses of the respective piezoelectric elements 20 - increase in the direction of the transition region R respectively adjacent end region 30, in particular d R i <d R 2 <d R 3. In this way, the reduces mechanical stress to the adjacent end portion 30, since with increasing distance d R i, d R 2 and d R 3, the deflection of the respective piezoelectric element 20 in the longitudinal direction and the corresponding transverse contraction decrease. Such layer stacks with transition regions R are in principle known to the person skilled in the art, for example from the document US Pat. No. 7,042,143 B2, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference into the present disclosure. Such layer stacks with transition regions R are also suitable for the multilayer actuators according to the embodiments and embodiments of the present disclosure.
Aufgrund der Entkopplungsschicht (en) 40 sind solche Über- gangsbereiche R jedoch mit Vorteil entbehrlich, so dass das dem jeweiligen Endbereich 30 benachbarte erste piezoelektrische Element 20A des Schichtstapels 10 die gleiche Schichtdicke und insbesondere den gleichen Elektrodenabstand d haben kann wie ein weiter von dem Endbereich 30 entferntes zweites piezoelekt- risches Element 20B (siehe Figur 1) . Auf diese Weise kann im Vergleich zu Schichtstapeln 10 mit Übergangsbereichen R, in denen sich die Elektrodenabstände vergrößern, bei gleicher Längs¬ abmessung des Schichtstapels 10 eine größere Anzahl von piezoelektrischen Elementen 20 in dem Schichtstapel 10 ange- ordnet werden. Auf diese Weise ist eine besonders große Aus¬ lenkung in Längsrichtung 100 pro Längeneinheit des Schicht¬ stapels 10 erzielbar. Due to the decoupling layer (s) 40, however, such transition regions R are advantageously dispensable, so that the first piezoelectric element 20A of the layer stack 10 adjacent to the respective end region 30 can have the same layer thickness and in particular the same electrode spacing d as one further from the end region 30 removed second piezoelectric element 20 B (see Figure 1). In this way, a larger number of piezoelectric elements 20 in the layer stack 10 at the same longitudinal ¬ dimension of the layer stack 10 may be arranged as compared to layer stacks 10 with transition regions R in which enlarge the electrode spacings reasonable. In this way, a particularly large out ¬ steering in the longitudinal direction 100 per unit length of the layer ¬ stack 10 can be achieved.
Bei dem vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel des In the present second embodiment of the
Vielschichtaktors 9 sind die Endbereiche 30 nicht monolithisch in den Schichtstapel 10 integriert. Stattdessen handelt es sich um separat gefertigte Endstücke, die mittels jeweils einer der Entkopplungsschichten 40, die vorliegend Klebstoffschichten sind, auf den Schichtstapel aufgeklebt sind. Die Endstücke sind vorzugsweise piezoelektrisch inaktiv und elektrisch isolierend. Multilayer actuator 9, the end portions 30 are not monolithically integrated into the layer stack 10. Instead, these are separately produced end pieces which are adhesively bonded to the layer stack by means of one of the decoupling layers 40, which in the present case are adhesive layers. The end pieces are preferably piezoelectrically inactive and electrically insulating.
Das Material der Klebstoffschichten 40 ist beispielsweise so gewählt, dass es eine höhere Fluidität hat als das Material der Endbereiche 30. Auf diese Weise ist die Entkopplungsschicht 40 zumindest in lateraler Richtung, d. h. quer zur Längsrichtung 100, im Vergleich zum Endbereich 30 leicht verformbar. Auf diese Weise kann die Klebstoffschicht bei Querschnittsänderungen des Schichtstapels 10 auftretende Scherkräfte aufnehmen und überträgt sie nicht oder nur zu einem vergleichsweisen geringen Teil auf den jeweiligen Endbereich 30. Beispielsweise kann die KlebstoffSchicht ein Silikonharz aufweisen oder daraus bestehen. Alternativ kann die KlebstoffSchicht auch aus einem Material gebildet sein, dass eine größere Sprödigkeit hat, als das Material des Endbereichs 30, so dass sich bei Querschnitts¬ änderungen des Schichtstapels 10 in Betrieb des Vielschicht- aktors Risse 45 in der KlebstoffSchicht 40 bilden, und so die Übertragung von Scher- und Zugkräften auf den jeweiligen Endbereich 30 mittels der Risse 45 reduziert ist. The material of the adhesive layers 40 is selected, for example, such that it has a higher fluidity than the material of the end regions 30. In this way, the decoupling layer 40 is easily deformable, at least in the lateral direction, ie transversely to the longitudinal direction 100, compared to the end region 30. In this way, the adhesive layer 10 can absorb shear forces occurring in cross-sectional changes of the layer stack 10 and it does not transfer or only to a comparatively small extent on the respective end region 30. For example, the adhesive layer may comprise or consist of a silicone resin. Alternatively, the adhesive layer may also be formed of a material that a greater brittleness has, as the material of the end portion 30 so as to form at cross section ¬ changes of the layer stack 10 in operation of the multilayer actuator cracks 45 in the adhesive layer 40, and so the transmission of shear and tensile forces on the respective end region 30 is reduced by means of the cracks 45.
Der Schichtstapel 10 bei dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht aus den piezoelektrischen Elementen 20. Mit anderen Worten ist er als alternierende Folge von Elektrodenschichten 21 bzw. 23 und piezokeramischen Schichten 22 aufgebaut. Jedoch kann er, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, zusätzlich Sollbruchschichten 15 enthalten um die Gefahr von rissbedingten Funktionsbeeinträchtigungen innerhalb des Schichtstapels 10 zu reduzieren. The layer stack 10 in the second embodiment consists of the piezoelectric elements 20. In other words, it is constructed as an alternating sequence of electrode layers 21 and 23 and piezoceramic layers 22. However, as in the first exemplary embodiment, it may additionally contain predetermined breaking layers 15 in order to reduce the risk of crack-related functional impairments within the layer stack 10.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils 1 mit einem piezoelektrischen Vielschichtaktor 9 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer vereinfachten, schematischen Schnittdarstellung. Figure 4 shows an embodiment of an injection valve 1 with a piezoelectric multilayer actuator 9 according to a third embodiment in a simplified, schematic sectional view.
Das Einspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf, der einen Innenraum umschließt, in dem der piezoelektrische The injection valve 1 has a valve body 2, which encloses an interior, in which the piezoelectric
Vielschichtaktor 9 angeordnet ist. Beispielsweise ist die Längsrichtung 100 des Schichtstapels 10 des Vielschichtaktors 9 parallel zu einer Längsachse des Einspritzventils 1 oder fällt mit dieser zusammen. Dem piezoelektrischen Vielschichtaktor 9 folgt in der Längsrichtung 100 eine Düsennadel 3 nach, mit der eine Verbindung zwischen Treibstoffzulauf 4 und Düsenloch 5 des Einspritzventils 1 hergestellt und unterbrochen werden kann. Multilayer actuator 9 is arranged. For example, the longitudinal direction 100 of the layer stack 10 of the multilayer actuator 9 is parallel to or coincides with a longitudinal axis of the injection valve 1. The piezoelectric multilayer actuator 9 is followed in the longitudinal direction 100 by a nozzle needle 3 with which a connection between the fuel inlet 4 and the nozzle hole 5 of the injection valve 1 can be established and interrupted.
Die Düsennadel 3 ist mittels einer Feder 6 in (oder entgegen) der Längsrichtung 100 gegen den piezoelektrischen Vielschichtaktor gepresst . Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Schichtstapel 10 sowohl Übergangsbereiche R als auch Sollbruchschichten 15 auf, wie sie im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungs- beispielen beschrieben sind. Solche Schichtstapel sind auch für die anderen Ausführungsbeispiele und Ausgestaltungen des Vielschichtaktors 9 geeignet. The nozzle needle 3 is pressed by means of a spring 6 in (or counter) the longitudinal direction 100 against the piezoelectric multilayer actuator. In the present exemplary embodiment, the layer stack 10 has both transition regions R and predetermined breaking layers 15, as described in connection with the preceding exemplary embodiments. Such layer stacks are also suitable for the other embodiments and embodiments of the multilayer actuator 9.
Die dem Schichtstapel 10 in Längsrichtung vorangehenden bzw. nachfolgenden Endbereiche 30 des Vielschichtaktors 9 sind wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des Vielschichtaktors 9 als separat gefertigte, piezoelektrisch inaktive und vorzugsweise elektrisch isolierende Endstücke ausgeführt. Sie enthalten beispielsweise ein keramisches Material wie Aluminiumnitrid oder Blei-Zirkonat-Titanat . The end portions 30 of the multilayer actuator 9 preceding or following the layer stack 10 in the longitudinal direction are designed as separately produced, piezoelectrically inactive and preferably electrically insulating end pieces, as in the second embodiment of the multilayer actuator 9. They contain, for example, a ceramic material such as aluminum nitride or lead zirconate titanate.
Im Gegensatz zum zweiten Ausführungsbeispiel des Vielschicht¬ aktors 9 grenzen die Endbereiche 30 jedoch direkt an den Schichtstapel 10 an, so dass sich die einander zugewandten Außenflächen 110 und 301 des Schichtstapels 10 und des jeweiligen Endstücks 30 berühren. In contrast to the second embodiment of the multilayer ¬ actuator 9, the end regions 30 directly adjacent to the layer stack 10, so that the mutually facing outer surfaces 110 and 301 contact the layer stack 10 and the respective end piece 30th
Die Entkopplungsschicht 40 zwischen dem Schichtstapel 10 und dem jeweiligen Endbereich 30 wird in diesem Fall von der dem Schichtstapel 10 zugewandten Außenfläche 301 des Endbereichs 30, der dem Endbereich 30 zugewandten Außenfläche 111 des In this case, the decoupling layer 40 between the layer stack 10 and the respective end region 30 becomes the outer surface 301 of the end region 30 facing the layer stack 10, the outer surface 111 of the end region 30 facing the end region 30
Schichtstapels 10 und den zwischen diesen Flächen eventuell verbleibenden Gas- oder Fluidmolekülen aus dem Innenraum des Ventilkörpers 2 gebildet. Layer stack 10 and the possibly remaining between these surfaces gas or fluid molecules from the interior of the valve body 2 is formed.
Anders ausgedrückt liegt bei dem vorliegenden Ausführungs¬ beispiel das jeweilige Endstück ohne Befestigungsschicht lose auf dem Schichtstapel 10 auf, so dass es lateral gegenüber dem Schichtstapel 10 beweglich ist. Die Endstücke 30 und der Schichtstapel 10 werden lediglich durch den von der Feder 6 des Ventils 1 aufgebauten Federdruck - sowie je nach Ausrichtung die Schwerkraft - zusammengehalten. Die Bindungskräfte zwischen den Außenflächen 111, 301 sind dabei im Vergleich zu den Bindungskräften innerhalb des insbesondere keramischen Endbereichs 310 vergleichsweise schwach, was einer verringerten mechanischen Stabilität der Entkopplungsschicht 40 entspricht. Die Grenzfläche 301 des Endbereichs 30 folgt Querkontraktionen des Schichtstapels 10 im Betrieb des piezoelektrischen Vielschichtaktors daher nicht oder nur in geringem Maße. Die Gefahr von unkontrollierten Rissen in den Endbereichen 30 aufgrund der Querkontraktionen des Schicht- Stapels 10 im Betrieb des Vielschichtaktors 9 ist auf diese Weise mit Vorteil reduziert. In other words, in the present embodiment ¬ example, the respective tail without attachment layer loosely on the layer stack 10, so that it is laterally movable relative to the layer stack 10. The end pieces 30 and the layer stack 10 are held together only by the spring pressure built up by the spring 6 of the valve 1 - and, depending on the orientation of the gravity - together. The bonding forces between the outer surfaces 111, 301 are comparatively weak in comparison to the bonding forces within the particular ceramic end region 310, which corresponds to a reduced mechanical stability of the decoupling layer 40. The interface 301 of the end region 30 therefore does not follow, or only to a small extent, transverse contractions of the layer stack 10 during operation of the piezoelectric multilayer actuator. The risk of uncontrolled cracks in the end regions 30 due to the transverse contraction of the layer stack 10 during operation of the multilayer actuator 9 is reduced in this way with advantage.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst sie jede Kombination von Merkmalen in den Ausführungsbeispielen und Patentansprüchen. Insbesondere sind die Vielschichtaktoren gemäß den ersten beiden Ausführungsbeispielen und der weiteren Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung ebenfalls für das Einspritzventil 1 geeignet. The invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, it includes any combination of features in the embodiments and claims. In particular, the multilayer actuators according to the first two embodiments and the further aspects of the present disclosure are also suitable for the injection valve 1.

Claims

Patentansprüche claims
1. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) mit einem monolithischen Schichtstapel (10), der eine Mehrzahl piezoelekt- rischer Elemente (20) enthält, die in einer Längsrichtung (100) übereinander gestapelt sind, und mit einem Endbereich (30) , der den piezoelektrischen Elementen (20) in der Längsrichtung (100) nachfolgt und der piezoelektrisch inaktiv ist, wobei der Vielschichtaktor (9) eine Entkopplungsschicht (40) zwischen dem Endbereich (30) und dem Schichtstapel (10) aufweist, deren mechanische Stabilität gegenüber der des Endbereichs (30) verringert ist. Anspruch [en] A piezoelectric multilayer actuator (9) comprising a monolithic layer stack (10) including a plurality of piezoelectric elements (20) stacked in a longitudinal direction (100) and an end portion (30) of the piezoelectric elements (20) follows in the longitudinal direction (100) and which is piezoelectrically inactive, wherein the multilayer actuator (9) has a decoupling layer (40) between the end region (30) and the layer stack (10) whose mechanical stability relative to that of the end region (30 ) is reduced.
2. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) gemäß Anspruch 1, wobei der Endbereich (30) mit dem Schichtstapel (10) monolithisch gefertigt ist und in der Entkopplungsschicht (40) ein oder mehrere Risse (45) ausgebildet sind, so dass der Endbereich (30) stellenweise oder vollständig von dem Schichtstapel (10) ab¬ gelöst ist. 2. Piezoelectric multilayer actuator (9) according to claim 1, wherein the end region (30) with the layer stack (10) is made monolithic and in the decoupling layer (40) one or more cracks (45) are formed so that the end region (30). locally or completely by the layer stack (10) is released from ¬.
3. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Entkopplungsschicht (40) eine durchbrochene Metallschicht oder eine poröse keramische Schicht ist. 3. The piezoelectric multilayer actuator (9) according to one of the preceding claims, wherein the decoupling layer (40) is a perforated metal layer or a porous ceramic layer.
4. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Entkopplungsschicht (40) von einer Klebstoffschicht gebildet ist. 4. Piezoelectric multilayer actuator (9) according to one of claims 1 to 2, wherein the decoupling layer (40) is formed by an adhesive layer.
5. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) nach Anspruch 1, wobei der Endbereich (30) separat gefertigt ist und lose auf dem Schichtstapel (10) aufliegt, so dass einander zugewandte Au¬ ßenflächen des Endbereichs (301) und des Schichtstapels (111) die Entkopplungsschicht (40) bilden. 5. Piezoelectric multilayer actuator (9) according to claim 1, wherein the end region (30) is manufactured separately and loosely rests on the layer stack (10), so that facing Au ¬ ßenflächen the end portion (301) and the layer stack (111) the decoupling layer (40) form.
6. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Endbereich (30) ein keramisches Material wie Aluminiumoxid oder Blei-Zirkonat-Titanat enthält. 6. The piezoelectric multilayer actuator (9) according to one of the preceding claims, wherein the end region (30) contains a ceramic material such as alumina or lead zirconate titanate.
7. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtstapel (10) ein erstes piezoelektrisches Element (20A) enthält, das dem End- bereich (30) benachbart ist, und ein zweites piezoelektrisches Element (20B) aufweist, das einen größeren Abstand von dem Endbereich (30) hat, wobei das erste und das zweite piezoe¬ lektrische Element (20A, 20B) gleiche Schichtdicken (d) haben. 7. A piezoelectric multilayer actuator according to claim 1, wherein the layer stack includes a first piezoelectric element adjacent to the end region and a second piezoelectric element a greater distance from the end region (30), wherein the first and the second piezoe ¬ lectric element (20A, 20B) have the same layer thicknesses (d).
8. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schichtstapel (10) einen Über¬ gangsbereich (R) aufweist, der mehrere der piezoelektrischen Elemente (20) enthält und eine Schichtdicke (dRi, dR2, dR3) jeweils in Längsrichtung (100) aufeinander folgender piezoelektrischer Elemente (20) des Übergangsbereichs (R) in Richtung zu dem Endbereich (30) hin zunimmt. 8. Piezoelectric multilayer actuator (9) according to one of claims 1 to 6, wherein the layer stack (10) has an over ¬ gang region (R), which contains a plurality of piezoelectric elements (20) and a layer thickness (d R i, d R , d R 3) increases in each case in the longitudinal direction (100) of successive piezoelectric elements (20) of the transition region (R) in the direction towards the end region (30).
9. Piezoelektrischer Vielschichtaktor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtstapel (10) Soll- bruchschichten (15) aufweist. 9. Piezoelectric multilayer actuator (9) according to one of the preceding claims, wherein the layer stack (10) has predetermined breaking layers (15).
10. Einspritzventil (1) für einen Diesel-Motor mit einem piezoelektrischen Vielschichtaktor (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. 10. injection valve (1) for a diesel engine with a piezoelectric multilayer actuator (9) according to one of the preceding claims.
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