用于电子元件以及多层结构压电元件的附加接通体 本发明首先涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于电子元件、尤其是用于多层结构压电元件的附加接通体。此外本发明还涉及一个如权利要求8前序部分所述的多层结构压电元件。
压电元件可以由具有多个分别交替设置的压电陶瓷层和电极层的多层结构元件构成并在现代电子技术中具有越来越重要的作用。例如压电放射体形式的压电元件与阀门或类似部件结合作为伺服驱动。
在DE 196 46 676 C1中例如描述了一种已知的压电放射体。对于这种压电陶瓷充分利用这种效应，压电陶瓷在机械压力或拉力下加载而另一方面在施加电压时沿着陶瓷层的主轴延长。为了多次利用纵向延长例如采用整体的多层放射体，它由衬有金属电极层的压电陶瓷(例如铅锆钛)制成的箔烧结叠堆构成。电极层交替地由叠堆中引出来并通过外金属体电并联。为此在叠堆的两个接通面上分别镀覆一个条状或带状的连续金属体，它与相同电极的所有电极层连接。在金属体与压电元件的其它电接头部件之间通常还具有一个可以由多种形状构成的附加接通体。当将一个电压施加到电接头部件上时，则压电箔在场向里延长。通过各压电箔的机械串联使得在相对较低的电压下就已经达到这个叠堆的额定延长。
这种放射体由于明显提高的机械负荷而中断。为了达到高的循环次数和高度可靠性，对于放射体在动态运行中的使用寿命具有决定性意义地是电的外接通。这一点例如这样实现，在金属体上分别安置一个附加接通体，它例如可以由覆有铜的Kapton箔制成。这样一种附加接通体也称为接通环。这种附加接通体可以在其整个长度上通过一个适当的连接措施、例如通过激光焊接或类似措施与其各从属金属体连接。通过这种方法在出现金属体分离裂纹、例如极裂纹和类似裂纹的情况下在放射体陶瓷里也保证压电元件的电接通。但是这种裂纹不只在陶瓷层或金属体里面产生。
同样在压电元件工作期间在附加接通体中也会产生裂纹。在压电元件工作期间裂纹在附加接通体或在接通环中不可避免的改进通过多个参数确定。在此附加接通体的宽度以及检测技术方面的计算必需首先遵循产生最先的裂纹改进方向和最大裂纹长度。
在由本申请人递交的较早的专利申请DE 197 15 487 A1中同样描述了一种压电放射体，其中一个与上述相同的由陶瓷层和位于其间的电极层组成的放射体叠堆嵌入预成形的空心型材里面。为此该空心型材首先具有一个中间的空隙，它基本上对应于压电叠堆的形状。此外，在这个空隙的侧壁上具有两个缝隙，它们通向电接头部件的其它缝隙。在此按照这个解决方案规定，缝隙具有一个弯曲的曲线。当压电元件装进空心型材里面时，放射体叠堆位于中间空隙里面，而电接头部件位于为其所存在的空隙里面。电接头部件与放射体叠堆之间的连接通过由箔构成的附加接通体实现。这些附加接通体位于缝隙内部，因此由弹性箔构成的附加接通体在装入状态也同样具有稍微弯曲的曲线。
但是通过这种压电放射体结构还不能完全阻止在整个附加接通体表面上生长的裂纹改进，因此在最严重的情况下各放射体区可能被电导线分开。
由上述技术现状提出本发明要解决的技术问题是，这样改进一种上述形式的附加接通体以及一种压电元件，使得能够避免在现有技术现状中所存在的缺陷。尤其是要提供一种容忍缺陷并在动态运行中耐疲劳的电子元件、尤其是多层结构压电元件的附加接通体。
按照本发明这个技术问题通过如权利要求1所述的附加接通体以及如权利要求8所述的多层结构压电元件得以解决。本发明的其它优点、特征、细节、观点和效果由从属权利要求、描述以及附图中给出。与按照本发明的附加接通体相关的特征和细节的描述对于压电元件当然也有效，反之也是如此。
按照本发明的第一个观点提供了一个用于电子元件、尤其是多层结构压电元件的附加接通体，它具有一个用于使电子元件与至少一个电接头部件连接的导电接通部件。按照本发明的附加接通体的特征在于，所述接通部件具有一个形状，通过该形状可以实现临界拉负荷的应力重新分布。
在此，应力重新分布一般理解为，临界拉负荷的至少一部分(例如在电子元件的纵向上)在一定的接通部件范围里偏转到其它方向。
要借助于不是唯一的示例描述这一点。例如可以设想，接通部件具有一个形状，其中在接通部件的与电子元件连接的那一侧上存在着全部拉负荷，而在接通部件上的那个例如与电接头部件连接的部位里存在着其它方向的应力。
通过按照本发明的附加接通体结构可以提供一个容忍缺陷且在动态运行中耐疲劳的电子元件与至少一个电接头部件的电连接。
为此所述附加接通体，和在这里尤其是其导电接通部件具有一个完全特殊的形状。由此在减少机械应力负荷的同时能够实现电子元件的可靠接通。因此本发明的一个基本思想是附加接通体的一个特殊布置，其中在电子元件与至少另一电接头部件、如一个插头、一个触销或类似部件之间具有一个重要的连接部分。
按照本发明，所述附加接通体的接通部件具有这样一个形状，通过该形状可以这样减小临界负荷，使得在接通部件中产生的裂纹不再导致在现有技术中所描述的缺陷，临界负荷例如是临界拉/压负荷，其中在多层结构压电元件、如放射体情况下为交变负荷。为此按照本发明这样构成所述附加接通体，使得可以实现临界负荷、尤其是临界拉负荷的应力重新分布，由此可以减慢疲劳裂纹改进并在接通部件内部中断。由此可以提高配有按照本发明的附加接通体的电子元件的使用寿命。
本发明不局限于所述附加接通体的确定形状。在下面的描述中还要详细描述一些不是唯一的示例。
有利的是，可以这样选择接通部件的结构，使得在离开电子元件的接通部件、如接通环的部位里面同时实现应力减小。
有利的是，所述接通部件可以由导电箔构成。这种箔可以特别简单且经济地加工。
有利的是，所述接通部件可以具有一个预成形、尤其是一个弯曲。由此尤其可以将对于接通部件疲劳特性有害的机械拉/压负荷特别有利地重新分布，尤其是在接通部件中同时减小应力的情况下。
在此作为“预成形”可以理解为各种形式的变形，在接通部件安装在电子元件上之前，该变形导致、尤其是保留接通部件的形状变化。
不同在于，在DE 197 15 487 A1中所述的压电元件具有一个附加接通体，它仅具有一个弯曲。但是这个已知的由一个很薄的箔制成的附加接通体不是预成形(弯曲)。当箔装进弯曲的缝隙时，它仅接受弯曲的曲线。但是箔仍然保持不变形。当将在已知的解决方案中公布的附加接通体从相应的缝隙中取出来时，它由于其弹性又回到其初始形状。对于这种初始形状涉及那个变形的平面。
但是接通部件的预成形(弯曲)正好可以实现临界拉负荷的按照本发明的重新分布。
有利的是，所述接通部件可以具有至少一个弯曲，它具有≤270°的角度。根据电子元件和附加接通体的需求和使用情况给出那些最有利的角度调节。在此本发明不局限在给定范围内部的一定角度。重要的仅仅是，所选择的角度位于确定的半径里面。有利的是，所述接通部件具有一个≤180°角度的弯曲。
在另一改进结构中所述接通部件具有一个用于与至少一个电接头部件连接的接通部位和一个用于与电子元件连接的固定部位。有利的是，所述接通部件可以在固定部位具有至少一个预成形、尤其是一个弯曲。通过这种方式能够在对于接通部件的疲劳特性有害的机械拉/压负荷重新分布的同时也可以减小在离开电子元件的接通部件部位里的应力。由此可以减慢接通部件里面的疲劳裂纹扩大并在接通部件的第一半里面中断。由此明显提高整个电子元件的使用寿命，因为由于接通部件里面的裂纹不再使电子元件的各部位与电导线分离，这一点就如同在说明书背景技术范围里对于目前已知的解决方案所描述的那样。
同样可以设想，在固定部位或者也在两个部位具有至少一个预成形、尤其是一个弯曲。
有利的是，所述接通部件可以至少局部地具有一个结构。通过这种接通部件结构化可以进一步减慢或中断在接通部件里面的裂纹改进。通过所述接通部件的至少局部的结构化可以使接通部件在电子元件工作期间的机械应力最小化。
如果电子元件例如是一个多层结构压电元件，当在压电无效的元件部位出现一个例如由于压电元件极化引起的裂纹(极裂纹)的时候，这种机械应力特别大。在伸长和收缩时对于这种裂纹产生一个相对较大的压电元件尺寸变化。由于这种大的变化在接通部件中产生大的机械应力，尤其是当接通部件与一个刚性的接通部件、例如一个触销或类似部件固定连接的时候。
通过接通部件至少局部的结构化可以提高接通部件的柔韧性。这一点例如可以通过在接通部件上加入至少一个缺口和/或至少一个减薄实现。缺口或减薄的形状、大小、位置和数量最好使接通部件尤其在压电元件的伸长和缩短方向上是弹性的。使接通部件如何有利地结构化的一个解决方案是，例如在由本申请人递交的较早的专利申请EP 1065 735 A2中所描述的，其公开内容一起包括在本发明的描述里面。
所述附加接通体至少局部地可以由金属、尤其是选自铜、铁、钢、镍、钴、铝、铍族金属制成是有利的。尤其有利的是，所述附加接通体由铜-镍-和/或铝合金制成。铜-铍合金和/或镍-铍合金具有特殊的优点。这些合金表现出高的耐疲劳性并由此具有高的机械特性长时间稳定性。
作为附加接通体的材料除了金属以外也可以设想非金属的导体如有机导体材料和类似材料。
按照本发明的第二方面，提供一个多层结构压电元件，其中一个压电陶瓷层与一个电极层总是交替地上下设置用于形成一个叠堆并且其中至少一个第一电极层和至少一个在叠堆中衔接的、与第一电极层相邻的第二电极层为了在交替的电极中进行电接通分别与至少一个附加接通体连接。所述压电元件按照本发明的特征在于，所述附加接通体以上述按照本发明的方法构成。
通过这种方法可以实现一个具有可靠附加接通体的压电元件，其中提供一个容忍缺陷且在动态运行中耐疲劳的由陶瓷层和电极层制成的叠堆电接头，例如至少在一个电接头部件上。
有利的是，至少一个第一电极层和至少一个第二电极层为了在交替的电极中进行电接通分别与至少一个侧面设置在叠堆上的金属体连接，其中各金属体与附加接通体电连接。在此金属体与附加接通体的连接可以通过适当的连接措施、如钎焊、熔焊或类似方法实现。本发明不局限于金属体与附加接通体之间的一定连接方式。
所述附加接通体最好可以具有一个接通部件，它具有一个接通部位和一个固定部位，其中接通部件通过接通部位与至少一个电接通部件连接并且其中接通部件通过固定部位与叠堆(与位于叠堆中的相同电极的电极层)、尤其是与至少一个金属体连接。
所述附加接通体最好至少局部地可以由钝化材料包围。对于钝化材料可以是保护材料和/或绝缘材料，例如可以由塑料制成。裸露的电子元件、如附加接通体的接通部件、位于压电元件中的电极层和类似部件需要一种电钝化，以避免在相邻的、裸露的电子元件之间产生放电和短路。
在另一改进结构中叠堆和附加接通体可以设置在一个独立的最好由钝化材料制成的套体里面。在此附加接通体的接通部件最好在附近、即紧挨着叠堆的周围浇铸钝化材料、例如适合的塑料。由此使接通部件也在动态运行中均匀地与压电多层结构元件的叠堆一起延伸，由此自动地明显减少对接通部件与压电元件之间的连接位置以及接通部件上机械负荷。这种在动态运行中一起移动效应尤其由此得到保证，接通部件与叠堆的距离有意识地尽可能保持微小。
有利的是，如上所述的按照本发明的压电元件可以是压电放射体或压电变换器。对此示例性的实施例例如是叠堆放射体、横向放射体、弯曲放射体、医用超声波变换器和类似部件。尤其是所述压电元件可以用于汽车系统中的压电放射体，例如用于汽油和柴油喷射系统的驱动装置。
下面借助于附图中所示的实施例详细描述本发明。附图中：
图1以立体图示出按照本发明的多层结构压电元件的局部视图；
图2以立体图示出按照本发明的用于电子元件的附加接通体的实施例。
在图1中示出一个设计为压电放射体的多层元件10。该压电放射体10构成一个由多层压电陶瓷层11和电极层12，13构成的叠堆17。在此所述电极层12和13分别具有不同的极性，其中相同极性的电极层称为第一电极层12或者第二电极层13。相同电极的电极层12或13分别与一个公共的金属体15或16连接。
此外可以看出，无效的绝缘区14交替地设置在上下衔接的、在这种情况下不在整个叠堆横截面上延伸的电极层12，13的对置拐角上。这种结构能够使分别具有相同极性的所有第一电极层12或所有第二电极层13通过一个公共的垂直的外金属体15或16实现公共的接头。对于外金属体15，16例如可以是相应的金属带。
如同通过金属体16所示的那样，这个金属体通过一个适当的连接措施18与附加接通体30连接，该连接措施例如可以是钎焊连接、焊连接或类似连接。通过类似的方法也可以使金属体15与附加接通体(未示出)连接。
由图2给出附加接通体30的结构和形状。
在图2中首先以非常简化的形式作为“一堆”示出压电放射体10的叠堆17。该叠堆17在两个对置的侧面上具有金属体15，16，通过金属体叠堆17借助于附加接通体30与电接头部件20连接。所述电接头部件20例如可以是相应的触销。
如同由图2可以看出的那样，所述附加接通体30由一个接通部件31组成，该接通部件例如可以是一个箔。该接通部件31具有一个接通部位33，通过它实现与电接头部件20的连接。此外所述接通部件31具有一个固定部位34，通过它与金属体15，16连接。
为了使在压电放射体10工作期间产生的有害机械拉/压交替负荷最小化，这种负荷可能在接通部件31里面导致裂纹，所述接通部件31具有至少一个预成形，尤其是弯曲32。在所示实施例中在固定部位34里面构成至少一个弯曲32。同样可以设想，至少一个弯曲32也可以成形在接通部位33或者也可以成形在这两个部位。对于弯曲32可以是沿着弯曲线的接通部件31的预成形，弯曲线通过施加弯矩或弯曲应力起作用。由于弯曲32在离开叠堆17的接通部件31处、在这里为接通部位33在减小应力的同时实现临界拉/压交替负荷的的应力重新分布。由此减慢在接通部件31里面的疲劳裂纹扩大并且甚至在接通部件31的第一半、在这里为固定部位34里面中断。通过这种方法在任何时候即使在放射体陶瓷中出现透穿金属体15，16的裂纹以及在附加接通体30中产生裂纹时都保证叠堆17的电接通。
根据需要和使用场合选择对于弯曲32的适合角度。在图2的实施例中对于弯曲32选择180°的弯曲角度。
通过按照本发明的附加接通体30结构保证一个容忍缺陷且在压电放射体10的动态运行中耐疲劳的叠堆17在接头部件20上的电接通，此外对于汽车工业中保证具有足够高使用寿命的压电放射体10提供了重要的前提。