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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Lebensdauer eines piezoelektrischen
oder elektrostriktiven Stacks, wobei Risse in Längsrichtung des Stacks vermieden
werden und/oder eine Rissverlängerung
verhindert wird. Ferner betrifft die Erfindung einen piezoelektrischen
oder elektrostriktiven Stack, insbesondere einen monolithischen
Multilayer-Piezostack für
Aktuatoren von Kraftstoffinjektoren, dessen maximale Anzahl von
Arbeitszyklen erhöht
ist und der dauerhaft mit einer hochdynamischen Großsignalansteuerung
betreibbar ist.
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Z.
B. piezokeramische Multilayer-Aktuatoren bzw. Multilayer-Stacks weisen alternierend
angeordnete Schichten von Piezokeramik- und Innenelektrodenmaterial
auf. Bei einer erstmaligen elektrischen Ansteuerung dieser Vielschichtstruktur
bis in den Großsignalbereich
werden die Piezokeramikschichten polarisiert und zeigen dabei jeweils
eine irreversible Längenänderung,
die so genannte remanente Dehnung. Aufgrund dieser erstmaligen Dickenänderung
der Piezokeramikschichten entstehen mechanische Zugspannungen in
der Gesamtstruktur des Stacks, welche dazu führen, dass im Verlauf der Polarisierung
und auch in einem späteren
Betrieb des Aktuators so genannte Polungsrisse bzw. Risse im Piezostack
entstehen.
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Die
Polungsrisse verlaufen in Querrichtung zum Multilayer-Piezostack und bevorzugt
entlang des Interfaces Innenelektrode/Piezokeramikmaterial, sowie
innerhalb der Piezokeramikschichten selbst. Solche Polungsrisse
sind für
die Zuverlässigkeit
im dynamischen Betrieb des Multilayer-Aktuators unschädlich, können aber
bei Vorliegen ungünstiger
intrinsi scher Einflüsse,
wie z. B. einer fehlerhaften Gefügestruktur
und/oder einer ausreichend großen
Defektpopulation, und auch bei Vorliegen extrinsischer Einflüsse, wie
z. B. den elektrischen Anstiegsflanken im dynamischen Betrieb und/oder
einer unzureichenden Klemmung, abgelenkt werden bzw. sich verzweigen.
Diese dann oft in Längsrichtung
des Multilayer-Piezostacks
abgelenkten Risse bzw. Verzweigungen von Polungsrissen mit einem
senkrechten Anteil zur ursprünglichen
Richtung des Polungsrisses, beeinträchtigen die Funktionstüchtigkeit
des Multilayer-Aktuators und können
zu einem vorzeitigen Ausfall des Multilayer-Aktuators führen. Insbesondere von
Nachteil sind diejenigen Risse in Längsrichtung des Multilayer-Piezostacks,
die zwei benachbarte Innenelektroden elektrisch verbinden und so
einen elektrischen Kurzschluss erzeugen.
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Polungsrisse
entstehen bevorzugt in denjenigen Bereichen des Multilayer-Piezostacks,
in welchen der Multilayer-Piezostack inaktive Kontaktierungszonen
aufweist. In den inaktiven Kontaktierungszonen ist jede zweite Innenelektrode
des Multilayer-Piezostacks ausgenommen, damit diese Innenelektroden
nicht mit einer falschen Außenmetallisierungsbahn,
welche die Innenelektroden mit Spannung versorgt, elektrisch kontaktiert
werden. Diese inaktiven Bereiche werden weder beim Polarisieren noch
beim Betrieb des Multilayer-Aktuators piezoelektrisch wesentlich
gedehnt, wodurch hohe Zugspannungskonzentrationen in den inaktiven
Bereichen entstehen, die zur oben genannten Polungsrissbildung führen.
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Entscheidend
für den
Rissverlauf bzw. den Weiterverlauf eines Risses ist die Höhe des Reißwiderstands
in den verschiedenen Richtungen der Keramik. Bei einem hohen Reißwiderstand
in der Keramik senkrecht zu den Innenelektroden und einem deutlich
niedrigeren Reißwiderstand
parallel zu den Innenelektroden, bilden sich nur Risse, die in Querrichtung
zum Multilayer- Piezostack,
also parallel zu den Innenelektroden verlaufen. Wie oben schon erwähnt, ist
ein solches Verhalten unschädlich
für die Lebensdauer
eines Multilayer-Aktuators im dynamischen Betrieb. Bei annähernd gleichem
Reißwiderstand
parallel und senkrecht zu den Innenelektroden ist allerdings mit
einer unerwünschten
Ablenkung der Risse in Längsrichtung
des Multilayer-Piezostacks zu rechnen. Ferner kann es zu einer Aufspaltung
des ursprünglichen
Risses in zwei Risse kommen, die jeweils für sich in aktive Bereiche des
Multilayer-Piezostacks
weiter wachsen und so die Lebensdauer des Multilayer-Aktuators herabsetzen.
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Aber
auch ohne das Vorliegen von Polungsrissen können sich Längsrisse senkrecht zu den Innenelektroden
bilden, was aufgrund hoher und/oder inhomogener mechanischer Belastung
der Vielschichtstruktur hervorgerufen werden kann. Dies ist z. B.
bei einem Betrieb des Multilayer-Aktuators gegen einen Anschlag;
beim Auftreten hoher Kraftgradienten im Verlauf einer Auslenkung;
bei einer schnellen inhomogenen Erwärmung, z. B. bei hochdynamischer
elektrischer Ansteuerung; oder bei prozessbedingten, stark unterschiedlichen
Größen der
inaktiven Bereiche der Fall. Bei solcherart entstandener Risse bestehen
dieselben Probleme wie beim oben Gesagten.
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Entscheidend
für die
Lebensdauer eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Bauteils,
insbesondere für
die piezokeramischen Multilayer-Aktuatoren sind die Art, der Ort
und die Generierung von Rissen, sowie die Richtung der Verlängerung
von Rissen, insbesondere parallel zum elektrischen Dehnfeld.
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Um
der Rissbildung zu begegnen werden im Stand der Technik z. B. so
genannte Sicherheitslayer in eine solche piezokeramische Vielschichtstruktur eingebaut.
Sicherheitslayer sind elektrisch inaktive Keramikschichten mit geringem
Reißwiderstand,
wobei z. B. in einem 30mm-Stack neun Sicherheitslayer vorgesehen
sind. Hierbei entstehen und wachsen Polungsrisse bevorzugt innerhalb
der Sicherheitslayer. Problematisch hierbei ist das Design der piezokeramischen
Vielschichtstruktur, da z. B. beim Auftreten von schädlichen
Rissen in der dehnungsaktiven Vielschichtstruktur die Sicherheitslayer
anders positioniert oder zusätzliche
Sicherheitslayer vorgesehen werden müssen, was herstellungstechnisch
einen hohen Aufwand bedeutet eine Stackstruktur mit z. B. über 300
Schichten entsprechend anzupassen.
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Ferner
offenbart die
DE 102
34 787 C1 ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vielschichtstruktur,
wobei innerhalb der Vielschichtstruktur im Abstand von 1 bis 4mm,
bevorzugt im Abstand von 2 bis 3mm, gezielt Gefügeinhomogenitäten vorgesehen
sind. Bevorzugt werden diese Gefügeinhomogenitäten beim
Sinterprozess erzeugt, indem beim Stapeln eine Schicht oder eine
Menge eines organischen Binders aufgebracht wird, die beim Sinterprozess
nahezu vollständig
ausbrennt. Diese Gefügeinhomogenitäten wirken
als Rissquelle, an welchen später
ein gezieltes Risswachstum erfolgen soll, um so einer Rissbildung
bzw. einem unkontrollierbaren Risswachstum in einem unerwünschten
Bereich innerhalb der Vielschichtstruktur zu begegnen. Problematisch
hierbei ist, dass vor dem Sintern, also beim Stapeln der Vielschichtstruktur,
diese Gefügeinhomogenitäten angelegt
oder vorgesehen werden müssen.
Dies wiederum macht ein Anpassen nachfolgender Vielschichtstrukturen
bei einem unerwünschten
Risswachstum im Betrieb einer vorausgegangenen Vielschichtstruktur
schwierig, wodurch tiefgreifendere Veränderungen im Herstellungsverfahren
notwendig sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfacheres und verbessertes
Verfahren zur Erhöhung
der Lebensdauer eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Bauteils
zur Verfügung
zu stellen. Insbesondere sollte Längsrissbildung im spä teren Betrieb
des Bauteils durch die Erfindung vermieden werden. Ferner sollte
das Verfahren einfach, flexibel und schnell an unterschiedliche
Gegebenheiten, wie z. B. unterschiedliche Bauteilabmessungen, sowie
an später
im Betrieb des Bauteils neu auftauchenden, unerwünschten Rissen, für nachfolgende Bauteile
anpassbar sein. Darüber
hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein piezoelektrisches
oder elektrostriktives Bauteil, insbesondere einen monolithischen
Multilayer-Piezostack anzugeben, der wirksam vor einer Längsrissbildung
bei einer Polarisierung und im späteren Betrieb geschützt ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mittels eines Verfahrens zum Vermeiden
einer Längsrissbildung und/oder
zum Verhindern einer Rissverlängerung
innerhalb eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Bauteils
gelöst,
wobei das Bauteil wenigstens partiell einem Thermoschock bzw. einer
Temperaturbehandlung ausgesetzt wird, die in bestimmten Bereichen des
Bauteils eine gezielte Gefügeschädigung vornimmt.
Aufgrund solch einer gezielten Gefügeschädigung entstehen innerhalb
des Bauteils mechanische Zug-/Druckspannungen und/oder Risse, insbesondere
Mikrorisse. Durch das Ausbilden der mechanischen Spannungen bzw.
der Mikrorisse wird eine vermehrte Entstehung von Rissen/Polungsrissen
durch das Vorliegen einer erhöhten
Population von Anfangsdefekten aufgrund der gezielten Gefügeschädigung erleichtert.
Das Vorliegen von mechanischen Spannungen alleine genügt schon,
um zusammen mit einer Defektpopulation als Kondensationskeim für einen
späteren
Riss/Polungsriss oder als Attraktor für einen von außen zulaufenden
Riss/Polungsriss zu dienen. Daher ist es also nicht unbedingt notwendig, die
Temperaturbehandlung so auszulegen, dass garantiert Risse innerhalb
des Bauteils entstehen.
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Bevorzugt
findet die Temperaturbehandlung zeitlich vor einer Polarisierung
bzw. einer Polung des Bauteils statt. Insbeson dere bei der Polarisierung – da hierbei
die längste
Dehnung des Bauteils in der gesamten Lebensdauer des Bauteils auftaucht – entstehen
so genannte Polungsrisse, deren spätere Positionen durch die erfindungsgemäßen Gefügeveränderungen
determiniert werden können.
Aufgrund der Temperaturbehandlung und der daraus resultierenden
inneren mechanischen Spannungen bzw. der daraus resultierenden inneren
Mikrorisse ist es möglich,
wenigstens teilweise den Ort der Polungsrisse im Vorfeld zeitlich
vor der Polarisierung zu bestimmen und sie dadurch derart im Bauteil
vorsehbar zu gestalten, dass sich die Polungsrisse an Positionen im
Bauteil bilden, an welchen sie nicht zum Verzweigen neigen, bzw.
dass sich keine Längsrisse
bzw. Risse ausbilden.
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Spannungen
und Mikrorisse entstehen an innerhalb des Bauteils endenden Innenelektroden,
wie z. B. an Ausnehmungen der Innenelektroden für inaktive Kontaktierungsbereiche
(s. a. u.). Die innerhalb des Bauteils endenden Innenelektroden
wirken als Anfangs-Inhomogenitäten
für die
erfindungsgemäß eingebrachten
Mikrorisse und/oder Spannungen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
das Bauteilgefüge
in diesen Bereichen inhomogen ist. Darüber hinaus bilden sich die
erfindungsgemäßen Spannungen
und Mikrorisse bevorzugt auch an den sich durch die inaktiven Bereiche
hindurcherstreckenden Innenelektroden. Durch die erfindungsgemäße Gefügeschädigung ist
daher sichergestellt, dass Polungsrisse/Risse auf die Gefügeschädigungen
von außen
zulaufen und dort zum Stillstand kommen. Darüber hinaus bilden sich erfindungsgemäß mehr Polungsrisse als
im Stand der Technik aus, wodurch das Bauteil homogener entlastet
werden kann. Dadurch neigen die Polungsrisse und auch die später entstehenden Risse
weniger zum Weiterwachsen bzw. Verzweigen, wodurch die Funktionstüchtigkeit
des Bauteils langfristig erhalten bleibt.
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In
einem Bereich des Bauteils mit inneren mechanischen Spannungen kann
es bei darauf zulaufenden Rissspitzen von entstehenden Polungsrissen
passieren, dass das weitere Wachstum des Polungsrisses durch eine
Bildung von Mikroentlastungsrissen gehemmt bzw. gestoppt wird. Ferner
kann es dazu kommen, dass auch das Mikrorisswachstum durch den Polungsriss
gehemmt bzw. gestoppt wird, wodurch sich der durch die Temperaturbehandlung vorgesehene
innere Mikroriss und der von außen
auf ihn zulaufende Polungsriss derart gegenseitig aufheben, dass
beide Risse nicht mehr weiter wachsen. Dies gilt natürlich auch
für die
im Betrieb des Bauteils entstehenden Risse.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Temperaturbehandlung an den Stellen außen am Bauteil
vorgesehen, an welchen nach dem Sintern des Bauteils (Polarisierung und/oder
Betrieb) bei gleichen oder ähnlichen
Bauteilen schon Risse aufgetreten sind. Dies gilt insbesondere in
einem volumenbereich des Bauteils, in welchem Polungsrisse nach
der Polarisierung auftreten.
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Häufig werden
Polungsrisse in so genannten inaktiven Kontaktierungszonen bzw.
inaktiven Bereichen eines piezokeramischen Stacks bzw. eines piezokeramischen
Multilayer-Stacks beobachtet. In den inaktiven Bereichen des Stacks
findet keine bzw. nur eine geringfügige piezoelektrische Dehnung
des Stacks statt, wohingegen in den aktiven Bereichen des Stacks
die beabsichtigten elektromechanischen Dehnungen auftreten. Durch
die Temperaturbehandlung in oder an einem inaktiven Bereich kommt
es insbesondere im Übergangsbereich
von inaktivem zu aktivem Bereich des Stacks zur Entstehung erheblicher
mechanischer Zug-/Druckspannungen, wobei vor allem die Zugspannungen
durch die Bildung von Mikrorissen abgebaut werden können. Dies
gilt auch für
eine Oberfläche
des Stacks. Ist der Temperaturschock nicht stark genug, so kommt
es nicht zur Bildung von Rissen, sondern die Spannungen bleiben im
Material erhal ten. Die Folgen für
die danach erfolgende Polarisierung des Stacks sind aber nahezu dieselben.
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Durch
das Vorliegen der Gefügeschädigungen
aufgrund der Temperaturbehandlung wird eine vermehrte Entstehung
von Polungsrissen durch das Vorliegen einer erhöhten Population von Anfangsdefekten
(mechanische Spannungen und/oder Risse) erleichtert, was das Niveau
des mechanischen Spannungsprofils im inaktiven Kontaktierungsbereich
sowie in einem Übergangsbereich
von inaktiver zu aktiver Stackschicht nach der Polarisierung herabsetzt und
somit auch eine Triebkraft zur Entstehung abgelenkter Risse in Längsrichtung
des Stacks verringert. Bevorzugt entstehen die Polungsrisse außen am Stack
und insbesondere an bis an die Stackoberfläche reichende Innenelektroden,
wobei die Polungsrisse dann nach innen auf die Gefügeschädigung zulaufen
und sich mit dieser vereinigen, wobei das Risswachstum gestoppt
wird. Gleichzeitig wird die Entstehung a priori längerer Polungsrisse
gefördert, welche
sofort bis an die Innenelektroden des aktiven Bereichs des Stacks
laufen und daher schneller zum Stillstand kommen.
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Es
gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten,
den Piezostack einer entsprechenden Temperaturbehandlung zu unterziehen.
So ist es möglich,
den Stack punktuell, abschnittsweise und/oder bereichsweise zu erhitzen
und/oder abzukühlen.
Dies geschieht vorzugsweise von außerhalb des Stacks, wobei jedoch
durch eine entsprechend vorgesehene Ausnehmung oder Bohrung die
Temperaturbehandlung auch an einer Oberfläche innerhalb des Multilayer-Piezostack
durchführbar
ist. Ferner ist es möglich den
Stack über
seine Innenelektroden aufzuheizen, wobei der Stack unter einer dynamischen
Ansteuerung, insbesondere einer Großsignalansteuerung, betrieben
wird und sich dadurch aufheizt; hierbei kann der Stack zusätzlich wärmeisoliert
sein. Anschließend
wird der Stack forciert, z. B. mittels Kaltluft oder in einem Flüssigkeitsbad,
abgekühlt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine Außenmetallisierungsbahn
direkt nach ihrem Einbrand auf den Stack forciert abgekühlt, wobei
in den Bereichen an den nahe an der Außenmetallisierungsbahn liegenden
inaktiven Kontaktierungszonen eine erfindungsgemäße Temperaturbehandlung vorgesehen
wird. Insbesondere von Vorteil ist hierbei, dass an sämtlichen
inaktiven Kontaktierungszonen eine entsprechende Temperaturbehandlung
vorsehbar ist. Ferner kann die Temperaturbehandlung wenigstens teilweise
auch an aktiven Bereichen stattfinden, was jedoch unproblematisch ist,
da Querrisse in diesen Bereichen die Funktionstüchtigkeit des Stacks einerseits
nicht beeinträchtigen
(s. o.) bzw. die Querrisse wegen der erfindungsgemäßen Entlastung
an anderen Bereichen des Multilayer-Piezostacks nicht zum Verzweigen
neigen.
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Ferner
kann die Temperaturbehandlung aufgrund einer selektiven Aufheizung
mittels elektrisch beheizter Thermoden oder mittels Lasern oder
durch Anblasen mit Kalt- und/oder Warmluft geschehen. Darüber hinaus
ist die Verwendung geeigneter Temperaturprofile für eine Lötung von
weiterführenden Kontaktdrähten als
Temperaturbehandlung anwendbar. Ein typischer Wert für einen
durch die Lötung aufgebrachten
Temperaturgradienten ist erfindungsgemäß 50 bis über 200K/s. Im Stand der Technik
liegt ein solcher Wert bei unter 50K/s, da hier – im Gegensatz zur Erfindung – Spannungen
und Risse vermieden werden sollen.
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Erfindungsgemäß ist eine
definierte Anzahl, Lage und Größe von Polungsrissen
möglich,
wodurch ein kontrolliertes Wachstum der im Verlauf der Herstellung
und Anwendung entstehenden Polungsrisse möglich ist. Alle vorgenannten
Ausführungsformen
bieten einen wirksamen Schutz eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Bauteils, insbesondere eines monolithischen Multilayer-Piezostacks
vor der Bildung von Längsrissen.
Die einzelnen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Verfahren
sind einfach und ohne erheblichen Mehraufwand realisierbar, was
Zeit und Kosten spart. Ferner ist das Verfahren nicht grundsätzlich materialspezifisch,
sodass das Verfahren auf eine Vielzahl von piezoelektrischen oder
elektrostriktiven Bauteilen anwendbar ist.
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Ferner
wird die Erfindung mittels eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Bauteils, insbesondere eines monolithischen Multilayer-Piezostacks gelöst, das
im Stackmaterial eine erhöhte
Anzahl mechanischer Spannungen und/oder eine erhöhte Anzahl von Rissen aufweist,
als sonst bei typischen Herstellungsschritten des Bauteils bis zu
dessen Polarisierung zu beobachten sind. D. h. das Bauteil weißt vor der
Polarisierung im Vergleich mit einem Bauteil gemäß dem Stand der Technik (ebenfalls
vor dessen Polarisierung) eine bei weitem höhere Anzahl (Faktor 10 bis über 100)
von Anfangsdefekten in Form von inneren Spannungen und/oder inneren
Mikrorissen auf.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
monolithischen Multilayer-Piezostack in einer 3D-Ansicht;
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2 eine
Teilseitenschnittansicht im Bereich einer Außenmetallisierungsbahn des
Multilayer-Piezostacks aus 1;
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3a den
Multilayer-Piezostack aus 2 bei/nach
einer erfindungsgemäßen Temperaturschock-Behandlung;
und
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3b den
erfindungsgemäßen Multilayer-Piezostack
aus 3a nach einer Polarisierung.
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Die
Erfindung bezieht sich im Folgenden auf einen Multilayer-Piezostack bzw. einen
monolithischen Vielschicht-Aktuator, wobei die Erfindung nicht darauf
beschränkt
sein soll, sondern generell piezokeramische oder elektrostriktive
Schichten, Stacks (auch mit nur einer einzigen Piezoschicht) oder
Bauteile betrifft, bei welchen das Auftreten von Rissen, insbesondere
das Auftreten von Polungsrissen beobachtet wird.
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1 zeigt
einen Multilayer-Piezostack 1 mit einer Mehrzahl von Piezokeramikschichten 10,
wobei der Einfachheit halber nur eine geringe Anzahl von Piezokeramikschichten 10 dargestellt
sind. In einer herkömmlichen
Ausführungsformen
als Aktuator für einen
Dieselinjektor weist ein solcher Multilayer-Piezostack 1 bis über 300
solcher Piezokeramikschichten 10 auf. Zwischen jeweils
zwei direkt benachbarten Piezokeramikschichten 10 befindet
sich jeweils eine Innenelektrode 20, wobei jede zweite
Innenelektrode 20 mit einer Außenmetallisierungsbahn 40 in elektrischem
Kontakt 42 ist (z. B. vorne rechts in der 1).
Ebenso sind die anderen zweiten Innenelektroden 20 mittels
einer zweiten Außenmetallisierungsbahn 40 ebenfalls
elektrisch verbunden (im gewählten
Beispiel hinten links in der 1). Damit eine
Innenelektrode 20 nicht mit der falschen Außenmetallisierungsbahn 40 zufällig in
elektrischen Kontakt gerät,
sind die Innenelektroden 20 jeweils an der nicht betreffenden
Außenmetallisierungsbahn 40 ausgenommen,
wodurch sich im Multilayer-Piezostack 1 zwei inaktive Kontaktierungszonen 30 ausbilden.
Die inaktiven Kontaktierungszonen 30 haben keinen Anteil
an der piezoelektrischen Dehnung des Multilayer-Piezostacks 1,
da in ihnen ein vernachlässigbar
geringes oder kein elektrisches Feld herrscht, mittels welchem die
entsprechende Piezokeramikschicht 10 im Betrieb einer Dehnung
unterworfen ist bzw. bei einer Polarisierung polarisiert wird. Die
Kernbereiche der inaktiven Kontaktierungszonen 30 sind in 1 grau
hinterlegt dargestellt.
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Andere
Ausführungsformen
bzw. Positionen der inaktiven Kontaktierungszonen sind natürlich möglich. So
gibt es Multilayer-Piezostacks mit innenliegenden Kontaktierungs-Metallisierungsbahnen, wobei
die nicht betreffenden Innenelektroden ebenfalls ausgenommen sind.
Ferner gibt es Ausführungsformen,
bei welchen zwei direkt benachbarte Innenelektroden jeweils an zwei
gegenüberliegende Außenflächen des
Multilayer-Piezostacks herausgeführt
sind. Eine entsprechende Außenmetallisierungsbahn
kann hierbei z. B. eine vollständige Längsseite
des Multilayer-Piezostacks bedecken.
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Die
Außenmetallisierungsbahnen 40 dienen der
elektrischen Parallelschaltung der jeweiligen Innenelektroden 20,
wodurch ein Dehnen des polarisierten Multilayer-Piezostacks 1 hervorgerufen
wird. Die Piezokeramikschichten 10 haben bevorzugt eine Dicke
von ca. 20 bis über
100μm, wobei
die im Siebdruckverfahren aufgebrachten Innenelektroden 20 eine
Dicke von ca. 1 bis ca. 5μm
aufweisen.
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Im
Bereich der inaktiven Kontaktierungszonen 30 entstehen
bei der Polarisierung oder beim Betrieb des Multilayer-Piezostacks 1 in
an sich bekannter Weise Spannungskonzentrationen, insbesondere Zugspannungen,
die die Ursache für
ein Risswachstum ist. Solche Risse, z. B. Polungsrisse, sind, solange
sie senkrecht bezüglich
einer Längsachse
L des Multilayer-Piezostacks 1 verlaufen, unschädlich für den Betrieb
des Multilayer-Piezostacks 1. Verzweigen sich solche Risse
jedoch oder ändert
sich die Richtung des Rissfortschritts, kann dies zu einem teilweisen
bzw. vollständigem
Ausfall des Multilayer-Piezostacks 1 führen. Werden z. B. durch einen
Riss in Längsrichtung
L des Multilayer-Piezostacks 1 zwei di rekt benachbarte
Innenelektroden 20 elektrisch verbunden, so kommt es zu
einem Kurzschluss des gesamten Bauteils.
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2 zeigt
solche von außen
nach innen in den Multilayer-Piezostack 1 hineinlaufenden
Risse 50, 55, wobei die Risse 50 Polungsrisse
sind, die aufgrund der Polarisierung im Multilayer-Piezostack 1 entstanden
sind, und die Risse 55 andere Risse sind, die z. B. aufgrund
des Betriebs des Multilayer-Piezostacks 1 entstehen.
Aufgrund eines nahezu gleichen Reißwiderstands parallel und senkrecht
zu den Innenelektroden 20 innerhalb des Keramikmaterials des
Multilayer-Piezostacks 1, können sich die an sich unschädlichen
Risse 50, 55 (senkrechte Komponente zur Längsrichtung
L des Multilayer-Piezostacks 1) aufspalten (Y-Riss) oder
abknicken und senkrecht zu den Innenelektroden 20 weiter
wachsen. Dies ist in 2 mit Verzweigungen 52 der
Polungsrisse 50 dargestellt. Der Polungsriss 50 erweitert
sich hierbei in Form eines Y und erhält eine wesentliche senkrechte
Komponente bezüglich
der Innenelektroden 20.
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Die 3a und 3b zeigen
nun, wie einer solchen Aufspaltung von Polungsrissen 50 bzw.
Rissen 55 begegnet werden kann.
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Hierzu
wird der Multilayer-Piezostack 1 einer Temperaturbehandlung
unterzogen, die bevorzugt an bzw. in den inaktiven Kontaktierungszonen 30 stattfindet.
Dies ist in 3a mit den Doppelpfeilen 80 verdeutlicht,
die eine Dickenänderung
des Stackmaterials 10 aufgrund eines Temperaturgradienten
G = dT/dt innerhalb des Stacks 1 verdeutlichen sollen. Aufgrund
der Temperaturschocks entstehen im Stackmaterial 10 wenigstens
innere Spannungen 70 oder Risse 60 bzw. Mikrorisse 60.
Dies entspricht einer gezielten Vorschädigung des Stackmaterials 10 innerhalb
des Stacks 1.
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Im
vorliegenden Beispiel wird die Temperaturbehandlung dergestalt von
außen
an/in das Stackmaterial 10 eingebracht, indem nach dem
Einbrennen der Außenmetallisierungsbahn 40 diese
schnell abgekühlt
wird, wodurch sich die inneren mechanischen Spannungen 70 bzw.
die Mikrorisse 60 ausbilden. Insbesondere im Übergangsbereich
zwischen den aktiven und den inaktiven Schichten des Multilayer-Piezostacks 1 kommt
es zur Entstehung von Zug-/Druckspannungen, wobei vor allem die
Zugspannungen durch die Bildung von Mikrorissen 60 abgebaut
werden.
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3b zeigt,
was das Einbringen dieser Vorschädigungen
für erfindungsgemäße Konsequenzen für die danach
erfolgende Polarisierung des Multilayer-Piezostacks 1 bzw.
für dessen
späteren
Betrieb hat.
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Durch
eine Vielzahl von im Multilayer-Piezostack 1 vorliegenden
Anfangsdefekten 60, 70 entstehen bei der nachfolgenden
Polarisierung des Multilayer-Piezostacks 1 mehr Polungsrisse 50 als
im Vergleich zum Stand der Technik, was wiederum die Höhe des mechanischen
Spannungsprofils, insbesondere im Übergangsbereich zwischen einem
inaktiven und einem aktiven Kontaktierungsbereich, nach der Polarisierung
herabsetzt. Somit entstehen auch weniger in Längsrichtung L des Multilayer-Piezostacks 1 abgelenkte
Risse bzw. weniger entsprechende Y-Zweige 52 der Polungsrisse 50.
Dies ist beispielhaft in 3b oben
dargestellt, wo ein Polungsriss 50 auf einen bereits vorhandenen
Mikroriss 60 trifft, sich totläuft und sich daher nicht mehr
weiter verzweigt. Ferner wird die Entstehung längerer Polungsrisse 50 gefördert, was
im darunter liegenden Teil der 3b zu
sehen ist, wobei der Polungsriss 50 durch die vorhandenen
mechanischen Spannungen 70 schnell bis an den aktiven Bereich
des Piezostacks 1 läuft
und daher schneller zum Stillstand kommt. Ferner können sich
entstehende Polungsrisse 50 schneller an einer Innenelektrode 20 totlaufen.
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Die
Spannungen 70 und die Mikrorisse 60 wirken hierbei
als Attraktor und „ziehen" den Riss 50, 55 quasi
an sich. In realitas ist das innere Gefüge des Stacks 1 in
diesen Bereichen geschwächt,
wodurch das Gefüge
bevorzugt an diesen Stellen aufreißen kann und so die Polungsrisse 50 bzw.
die Risse 55 in diesen Bereich aufgrund des entstandenen
geringeren Reißwiderstands
ablenkt. Somit ist ein kontrolliertes Polungsrisswachstum bzw. Risswachstum
möglich.
Hierdurch können
Polungsrisse 50 bzw. Risse 55 gezielt an denjenigen
Stellen im Stack 1 vorgesehen werden, an welchen sie den
Stack 1 nicht schädigen;
d. h. der monolithische Multilayer-Stack 1 kann sich selbst
an unschädlichen
Stellen entlasten.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
arbeitet mittels einem Lötverfahren,
wobei durch die Verwendung eines geeigneten Temperaturprofils für das Lötverfahren,
beim Verlöten
von weiterführenden
Kontaktdrähten
an die Außenmetallisierungsbahnen 40,
entsprechende Lötschockrisse 60 bzw.
innere mechanische Spannungen 70 aufgrund des Löttemperaturschocks entstehen.
Ein hierdurch bevorzugt eingebrachter Temperaturgradient ist 100K/s.
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Es
sind eine Vielzahl möglicher
Wärme-
und Kältebehandlungen
am bzw. im Multilayer-Piezostack 1 denkbar. So kann der
Multilayer-Piezostack 1 nur teilweise außen oder
auch an einer gesamten Außenseitenfläche entsprechend
wärme- oder
kältebehandelt
werden. Ferner ist es möglich, gleichzeitig
zwei nebeneinander liegende Punkte oder Bereiche dergestalt der
Temperaturbehandlung zu unterziehen, dass der eine Punkt oder Bereich
erhitzt und der andere Punkt oder Bereich abgekühlt wird. Darüber hinaus
ist es erfindungsgemäß möglich, parallel
zu einer Stirnseite des Multilayer-Piezostacks in Abständen von
0,5 bis 10mm, bevorzugt in Abständen
von 1 bis 8mm und insbesondere bevorzugt in Abständen von 2 bis 6mm, Thermoschocks
entlang einer Längsseite
des Multilayer-Piezostacks 1 vorzusehen, wobei die Thermoschockzentren
bevorzugt an inaktiven Kontaktierungszonen 30 stattfinden.
Ferner ist es möglich,
die Temperaturbehandlung wenigstens teilweise auch an den aktiven
Bereichen stattfinden zu lassen.
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Ferner
ist es auch möglich,
dass die Temperaturbehandlung dergestalt in den Multilayer-Piezostack 1 eingebracht
wird, indem ein forciertes Abkühlen
auf oder sogar unter Raumtemperatur stattfindet. Bei einer Wärmebehandlung
und einem anschließenden
nicht forcierten Abkühlen
können
eventuell unerwünschte
Spannungsrelaxationen stattfinden, die das gezielt eingebrachte
Spannungsprofil wieder so weit herabsetzen, dass der erfindungsgemäße Effekt
teilweise wieder zunichte gemacht wird. Ob eine solche unerwünschte Spannungsrelaxation bei
einer Wärmebehandlung
stattfindet oder nicht ist experimentell gut überprüfbar.
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Darüber hinaus
ist es erfindungsgemäß möglich, zeitlich
nach einer ersten erfindungsgemäßen Temperaturbehandlung
eine zweite bzw. weitere – auch
entgegengesetzte (also zuerst erwärmen und kurz danach forciert
abkühlen
bzw. umgekehrt) – erfindungsgemäße Temperaturbehandlungen
am Multilayer-Piezostack 1 stattfinden
zu lassen. Diese können
an denselben Stellen am Multilayer-Piezostack 1 vorgesehen
sein, oder sich z. B. auch nur geringfügig davon unterscheiden.
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Unter
dem Thermoschock bzw. der Temperaturbehandlung ist eine bereichs-
bzw. abschnittsweise beabsichtigte, kurzfristige, thermomechanische
Belastung des Stacks 1, insbesondere nach dessen Sintern
und, bevorzugt, vor dessen Polarisierung, zu verstehen, welcher
der Stack 1 bzw. ein Stackgrünling im Stand der Technik
bisher nicht ausgesetzt war. Maßgeblich
für das
Entstehen, von inneren Spannungen 70 und/oder Rissen 60 ist
der bei der Temperaturbehandlung innerhalb des Stacks 1 vorliegende
Temperaturgradient G. Vorzugsweise liegen am Stack 1 Aufheiz-
oder Abkühlraten
von über 50
bis über
150K/s vor. Im Stand der Technik liegen die an Stacks 1 auftretenden
Temperaturgradienten G, bei sämtlichen
Produktions- und Betriebsstadien des Stacks 1, inklusive
des Sinterns, bei teilweise weit unter 50K/s. Ferner liegen Aufheiz-
und/oder Abkühlraten
(Temperaturgradienten G) für
Teile des Stacks 1 bei 65–300K/s, bevorzugt bei 75–235K/s, insbesondere
bei 85–210K/s,
vorzugsweise bei 95–165K/s,
insbesondere bevorzugt bei 110–140K/s und
besonders bevorzugt bei 115–125K/s.