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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Stack, insbesondere einen monolithischen Multilayer-Piezostack für Aktuatoren
von Kraftstoffinjektoren, wobei eine Rissbildung in Längsrichtung
des Stacks beim Polarisieren und im späteren Betrieb vermieden wird,
sowie ein Verfahren dafür.
Ferner betrifft die Erfindung einen Aktuator mit einem solchen Multilayer-Piezostack,
sowie einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Aktuator.
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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 sogenannte remanente Dehnung. Aufgrund dieser erstmaligen und
im Vergleich zum späteren
Betrieb des Aktuators großen Längenänderung
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 sogenannte 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
intrinsischer Einflüsse,
wie z. B. einer fehlerhaften Gefügestruktur
und/oder einer Defektpopulation, und auch bei Vorliegen extrinsischer
Einflüsse,
wie z. B. den elektrischen Anstiegs flanken 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 sind die Innenelektroden
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 gedehnt, wodurch
bei der Polarisierung 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 aus, 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. Solche
sich verzweigenden Risse werden Y-Risse genannt.
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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 monolithischen piezokeramischen Multilayer-Aktuatoren sind die
Art, der Ort und die Generierung von Rissen, sowie die Richtung
der Verlängerung
von Rissen, insbesondere parallel zum piezoelektrischen Dehnfeld.
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Durch
die Polarisierung der dadurch dehnungsaktiven Bereiche des piezokeramischen
Multilayer-Piezostacks entstehen in den inaktiven Bereichen Zugspannungen,
die dadurch abgebaut werden, dass ausgehend von einer zur Außenmetallisierung
benachbarten, bevorzugt direkt parallel benachbarten Außenkante
Polungsrisse entstehen. Diese Polungsrisse dürfen nicht in den aktiven Bereich
laufen, da bei einer Verzweigung bzw. einem senkrechten Ablenken
eines Polungsrisses zu seiner ursprünglichen Richtung, die Gefahr
besteht, dass der Polungsriss zwei direkt benachbarte Innenelektroden unterschiedlichen
elektrischen Potentials elektrisch leitend verbindet. Ist die Oberfläche und/oder
die Außenkante
des Multilayer-Piezostacks sehr glatt bzw. die Bruchfestigkeit der
Piezokeramik sehr hoch, so entstehen nur wenige, vergleichsweise
große
Polungsrisse, wodurch die mechanischen Spannungen nicht genügend abgebaut
werden und daher die Polungsrisse zum Verzweigen bzw. Ablenken neigen, um
den Piezostack mechanisch zu entlasten zu können.
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Im
Stand der Technik wird zum Leiten bzw. zum Führen eines solchen Polungsrisses
die Bruchfestigkeit der Innenelektrode und die Haftfestigkeit der
Innenelektrode zur Keramik hin reduziert. Beim Entstehen nur weniger
Polungsrisse, z. B. bei hoher Bruchfestigkeit der Keramik, führt das
trotzdem dazu, dass die Zugspannungen nicht genügend abgebaut werden und der
Polungsriss dennoch weiter in den aktiven Bereich des Multilayer-Piezostacks
wächst.
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Um
der Rissbildung zu begegnen werden ferner im Stand der Technik z.
B. sogenannte 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 Gefügeinhomoge nitäten beim
Sinterprozess erzeugt, indem beim Stapellayout 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 schon beim Layout 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 verbessertes piezoelektrisches
oder elektrostriktives Bauteil, bevorzugt einen monolithischen Multilayer-Piezostack,
mit verlängerter
Lebensdauer, sowie ein Verfahren dafür, anzugeben. Insbesondere sollte
eine Längsrissbildung
bei Polungsrissen verhindert sein. Die erfindungsgemäße Lösung sollte 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.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Bauteil, insbesondere einem monolithischen Multilayer-Piezostack,
gelöst,
welches eine wenigstens teilweise vergröberte Fläche, Kante oder Seite aufweist.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung mittels eines Oberflächenbehandlungsverfahrens
für ein
solches Bauteil gelöst,
welches die erfindungsgemäßen Vergröberungen
in das Bauteil einbringt. Diese Vergröberung wird beispielsweise
mittels Kerben und/oder kleinen Anrissen im Bauteil realisiert,
die als Risskeime für
spätere
Risse bzw. Polungsrisse dienen. Durch das Vorsehen solcher Risskeime
wird eine Rissbildung begünstigt
und dadurch die Anzahl der Risse bzw. Polungsrisse im Bauteil erhöht. Hierdurch entstehen
erfindungsgemäß auch bei
Keramiken mit hoher Bruchfestigkeit mehr Risse bzw. Polungsrisse als
im Stand der Technik, wodurch die mechanischen Spannungen derart
abgebaut werden, dass es zu keiner Längsrissbildung senkrecht zu
z. B. Innenelektroden bzw. zu einer Rissweiterbildung kommt. Eine
mittlere Rautiefe einer solchen Vergröberung des Multilayer-Piezostacks
ist vorzugsweise um den Faktor 10-100 größer als im Stand der Technik.
Die mittleren Rautiefen im Stand der Technik liegen nach einem Schleifen
nach der Sinterung bzw. vor einer Polarisierung des Multilayer-Piezostacks
bei 1-5μm, insbesondere
bei 2-4μm
und im Mittel bei 3μm.
Bevorzugte erfindungsgemäße mittlere
Rautiefen ergeben sich zu 10-100μm.
Der Stack weist daher insgesamt eine größere mittlere Rautiefe auf,
als vor dem Einarbeiten der Vergröberung.
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Im
Folgenden ist nur noch von Polungsrissen die Rede, wobei das nachfolgend
für Polungsrisse Gesagte
auch analog für
allgemeine Risse gilt, die z. B. bei einem späteren Betrieb oder Ansteuerung
des Bauteils entstehen.
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Bevorzugt
wird die Vergröberung
an einer Außenseite
des Bauteils zeitlich vor einer Polarisierung bzw. Polung des Bauteils
und zeitlich nach einem Sintern des Bauteils eingearbeitet. Das
Vorsehen der Vergröberung
vor der Polarisierung hat den Vorteil – da bei der Polarisierung
die längste
Dehnung des Bauteils in dessen gesamter Lebensdauer auftritt – dass eine
vermehrte Anzahl von kleineren Polungsrissen im Vergleich zum Stand
der Technik (wenige große
Polungsrisse) entsteht und so die mechanischen Spannungen aufgrund
der Polarisierung besser abgebaut werden können, wodurch eine zukünftige Längsrissbildung
vermieden werden kann und das Bauteil dadurch eine höhere Lebenserwartung
aufweist.
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Bevorzugt
wird die Vergröberung
einfach mittels einer Schleifscheibe, insbesondere einer sehr groben
Schleifscheibe oder einer profilierten Scheibe, in das Bauteil von
außen
eingearbeitet. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Vergröberung schnell, einfach
und kostengünstig
in das Bauteil eingebracht werden kann, ohne dass ein aufwändiger Zwischenschritt
im Herstellungsverfahren des Bauteils vorgesehen werden muss.
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Erfindungsgemäß sollen
die Vertiefungen der Vergröberung
einen möglichst
geringen Radius an ihrer Spitze aufweisen. Durch einen geringen
Radius einer solchen Anrissspitze ist ein Risswachstum, insbesondere
ein Polungsrisswachstum begünstigt. Ferner
sollten erfindungsgemäß möglichst
viele Vertiefungen innerhalb der Vergröberung vorgesehen sein, sodass
nahezu an beliebigen Stellen Entlastungsrisse entstehen können.
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Erfindungsgemäß sind die
Vertiefungen innerhalb der Vergröberung
zufällig
bzw. statistisch verteilt, sodass sich je nach mechanischem Spannungszustand
ein entsprechender Polungsriss an einem entsprechenden Anrissradius
ausbilden kann. Solche Polungsrisse laufen, falls sie benachbart
zu Innenelektroden liegen, in diese hinein und enden dort. Durch
eine dichte und gleichmäßige Einbringung
von Polungsrissen werden vor allem piezoelektrisch inaktive Bereiche
des Bauteils entlastet, da keine Zugspannungen mehr vorliegen. Dies
reduziert die Wahrscheinlichkeit stark, dass einer der Polungsrisse
in den aktiven Bereich wächst
und sich dort verzweigt.
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Insbesondere
durch die Vielzahl von unterschiedlichen Vertiefungen innerhalb
der Vergröberung,
die darüber
hinaus statistisch verteilt sind (s. o.) – also jeweils eine unterschiedliche
Eindringtiefe in das Bauteil aufweisen, sowie eine unterschiedliche Form
bzw. einen unterschiedlichen Spitzenradius besitzen – ist gewährleistet,
dass nahezu an jeder Stelle der Vergröberung je nach Ausbildung eines
Spannungszustands bei der Polarisierung oder beim späteren Betrieb,
ein entsprechender Risskeim vorhanden ist, der es ermöglicht,
die lokalen Spannungen herabzusetzen. Dadurch, dass für jeden
Spannungszustand in jeder unmittelbaren Umgebung entsprechende Risskeime
vorliegen, bilden sich sofort Polungsrisse aus, die den internen
Spannungszustand des Bauteils herabsetzen.
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Ganz
allgemein ist es sinnvoll, das Bauteil an denjenigen Bereichen,
Abschnitten oder Stellen mit der erfindungsgemäßen Vergröberung zu versehen, an welchen
in der Folgezeit (Polarisierung und späterer Betrieb) Polungsrisse
bzw. Risshäufungen
bei vorausgegangenen baugleichen Bauteilen auftraten. Dies gilt
insbesondere in einem Außenbereich
des Bauteils, in welchem Polungsrisse nach der Polarisierung auftreten.
Häufig
ist dies in sogenannten inaktiven Kontaktierungszonen bzw. den dehnungsinaktiven
Bereichen eines Multilayer-Piezostacks der Fall. In diesen inaktiven
Bereichen findet keine bzw. nur eine geringe piezoelektrische Dehnung
des Stacks statt, wohingegen in den aktiven Bereichen des Stacks
die erwünschten
elektromechanischen Dehnungen des Bauteils auftreten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erstreckt sich die Vergröberung wenigstens teilweise
entlang eines dehnungsinaktiven Bereichs des Bauteils, wobei die
Vergröberung
an einer entsprechenden Außenfläche oder
Außenkante
vorgesehen sein kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erstreckt sich die Vergröberung entlang einer Mehrzahl
von inaktiven Bereichen. Durch die Dichte und gleichmäßige Einbringung
von Polungsrissen aufgrund der Vertiefungen der Vergröberung werden
die inaktiven Bereiche des Stacks entlastet, da kaum mehr Zugspannungen vorhanden
sind.
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Durch
das Vorliegen der Risskeime aufgrund der Vergröberung wird eine vermehrte
Entstehung von Polungsrissen, die von außen nach innen in das Bauteil
laufen, durch das Vorliegen einer erhöhten Population von Anfangsdefekten
(Risskeime bzw. Soll-Rissstellen) erleichtert. Dies setzt das Niveau des
me chanischen Spannungsprofils in den inaktiven Bereichen, sowie
in einem Übergangsbereich
vom inaktiven zum aktiven Bereich nach der Polarisierung herab und
somit wird auch eine Triebkraft zur Entstehung abgelenkter Polungsrisse
in Längsrichtung
des Stacks reduziert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung befindet sich die Vergröberung entlang einer Außenlängskante
des Multilayer-Piezostacks, welche benachbart zu einer Außenmetallisierung liegt.
Bevorzugt sind je Stack diejenigen beiden Längskanten mit einer Vergröberung versehen,
welche direkt parallel benachbart zu einer jeweiligen Außenmetallisierung
liegen. Im Stand der Technik entstehen Polungsrisse bevorzugt an
diesen den Außenmetallisierungen
benachbarten Längskanten, wodurch
durch das erfindungsgemäße Vorsehen
der Vergröberung
an diesen Kanten eine vermehrte Rissbildung stattfindet, wodurch
wiederum die Wahrscheinlichkeit stark reduziert ist, dass einer
der Polungsrisse in den aktiven Bereich läuft und sich dort verzweigt.
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Alle
vorgenannten Ausführungsformen
realisieren einen wirksamen Schutz eines piezoelektrischen oder
elektrostriktiven Bauteils, insbesondere eines monolithischen Multilayer-Piezostacks vor der Bildung
von Y- und/oder Längsrissen.
Die zur Realisierung der Erfindung notwendigen Arbeitsschritte sind
einfach und ohne erheblichen Mehraufwand realisierbar, was Zeit
und Kosten spart. Darüber
hinaus sind diese Arbeitsschritte nicht grundsätzlich materialspezifisch,
sodass die erfindungsgemäße Idee
auf eine Vielzahl von Bauteilen anwendbar ist.
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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
Teilseitenansicht des Multilayer-Piezostacks aus 1;
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3 einen
erfindungsgemäßen monolithischen
Multilayer-Piezostack
in einer 3D-Ansicht; und
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4 eine
Teilseitenansicht des erfindungsgemäßen Multilayer-Piezostacks
aus 3.
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Die
Erfindung bezieht sich im Folgenden auf einen Multilayer-Piezostack bzw. einen
monolithischen Vielschicht-Aktuator, wobei die Erfindung nicht darauf
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 eine Vielzahl von
inaktiven Kontaktierungszonen 30 bzw. inaktiven Bereichen 30 ausbildet.
Die inaktiven Kontaktierungszonen 30 haben keinen Anteil
an der piezoelektrischen Dehnung des Multilayer-Piezostacks 1,
da in ihnen 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. Eine solche Innenelektrodenanordnung wird auch als Interdigital-Elektrodenanordnung
bezeichnet. Die Piezokeramikschichten 10 haben bevorzugt
eine Dicke von ca. 20 bis über
100μm, wobei
die im Siebdruckverfahren aufgebrachten Innenelektroden 20 eine
Dicke von ca. 4 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,
kann dies zu einem teilweisen bzw. vollständigem Ausfall des Multilayer-Piezostacks 1 führen, da
z. B. durch einen Riss in Längsrichtung
L des Multilayer-Piezostacks 1 zwei direkt benachbarte
Innenelektroden 20 elektrisch verbunden werden, sodass
sich zwischen diesen Innenelektroden 20 kein elektrisches
Feld mehr ausbilden kann und die entsprechende Piezoschicht 10 im Stack 1 keinen
Anteil mehr an der Dehnung des Stacks 1 hat.
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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 (L-Form) und in die aktiven Bereiche 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 3 und 4 zeigen
nun, wie einer solchen Aufspaltung von Rissen 50, 55 begegnet werden
kann, wobei 3 im Gegensatz zur 1 der Übersicht
halber nur noch zwei Innenelektroden 20 in einer dreidimensionalen
Ansicht zeigt, während die
anderen Innenelektroden 20 nur noch an ihren sichtbaren
Außenseiten
in der 3 zu erkennen sind. Die dreidimensional dargestellten
Innenelektroden 20 befinden sich hierbei jeweils benachbart
zur Ober- bzw. Unterseite des Multilayer-Piezostacks 1.
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Bei
einer Ausführungsform
des Multilayer-Piezostacks 1 mit zu Außenlängskanten 60 parallel
benachbarten Außenmetallisierungsbahnen 40 entstehen
die Polungsrisse 50 bevorzugt an der Außenlängskante 60 und laufen
nach innen in den Multilayer-Piezostack 1 hinein.
Ist die Oberfläche
der Außenlängskante 60 glatt
und/oder die Bruchfestigkeit des verwendeten Piezokeramik-Materials 10 hoch,
so entstehen bei der Polarisierung des Multilayer-Piezostacks 1 nur
wenige, vergleichsweise große
Risse, wodurch die mechanischen Spannungen innerhalb des Multilayer-Piezostacks 1 nicht
genügend
abgebaut werden können
und sich die Risse 50, 55 in Längsrichtung L des Stacks 1 verzweigen
können.
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Erfindungsgemäß wird dem
dadurch begegnet, dass an einer Außenseite des Multilayer-Piezostacks 1 Risskeime
vorgesehen sind. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die beiden
Außenlängskanten 60,
welche direkt benachbart zu den beiden Außenmetallisierungsbahnen 40 liegen,
aufgeraut bzw. vergröbert,
sodass aufgrund von Vertiefungen 82 (s. 4)
der Vergröberung 80 Risskeime zur
Verfügung
stehen, an welchen Polungsrisse 50 bzw. Risse 55 entstehen
können.
Dadurch, dass eine Vielzahl von Vertiefungen 82 zur Rissbildung
zur Verfügung
steht, erreicht man einen internen Spannungsabbau des Multilayer-Piezostacks 1 durch
eine Vielzahl von kleinen Polungsrissen 50 bzw. Rissen 55.
Hierdurch ist ein Spannungsabbau durch ein Aufspalten (s. 2)
oder Abknicken der Risse 50, 55 in Längsrichtung
L des Stacks 1 nicht mehr notwendig, da durch eine Vielzahl
vorliegender Risse 50, 55 die Spannungen im Multilayer-Piezostack 1 schon
abgebaut sind. Eine Vergröberung 80 im
Sinne der Erfindung ist eine gezielte Oberflächenbehandlung bevorzugt nach
dem Sintern und vor der Polarisierung des Multilayer-Piezostacks 1.
Hierbei wird die Oberfläche „rauer" gemacht als sie
vorher war. Somit entstehen am Multilayer-Piezostack 1 Bereiche
mit einer größeren Rautiefe
R als an anderen Bereichen des Multilayer-Piezostacks 1, insbesondere
als an direkt benachbarten Bereichen. Bevorzugt weisen die mit Vergröberungen 80 versehenen Kanten 60 bzw.
Seitenflächen 70 eine
Rautiefe R auf, die sonst nirgends am Multilayer-Piezostack 1 vorgesehen
ist. D. h., bevorzugt ist die Rautiefe R der von der aufgerauten
Kante 60 und/oder der aufgerauten Fläche 70 gebildeten Vergröberung 80 größer, als
in allen Bereichen des Multilayer-Piezostacks 1, an welchen keine
Vergröberungen 80 vorgesehen
sind.
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Eine
entstehende mittlere Rautiefe Rz nach DIN
4768 ist ein Maß für die Rauheit
der neu entstehenden Stackoberfläche.
Diese mittlere Rautiefe Rz ist wenigstens
um den Faktor 2-3 bis maximal um den Faktor 500 rauer als im Stand
der Technik. Bevorzugt bei den Multilayer-Piezostacks 1 sind
Faktoren von 10-100. Dies hängt
hauptsächlich – neben der
Häufigkeit
von Polungsrissen bei unvergröberten Stacks 1 – von der
Schichtdicke der einzelnen Piezoschichten 10 ab. Die erfindungsgemäßen Faktoren von
10-100 eignen sich gut für
Schichtdicken 10 im Bereich von 80-120μm. Die Absolutwerte der mittleren
Rautiefe Rz bewegen sich zwischen 3 und 500μm. Bevorzugt
bei den Multilayer-Piezostacks 1 sind 8-135μm, wobei
die kleineren Rautiefen Rz von 10-50±5μm innerhalb
dieses Bereichs insbesondere bevorzugt sind.
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Andere
Positionen der Vergröberung 80 sind natürlich möglich, wobei
generell gilt, dass rissbildende Vergröberungen 80 bevorzugt
an denjenigen Punkten, Stellen, Bereichen und/oder Abschnitten des
Multilayer-Piezostacks 1 vorgesehen sein sollten, an welchen
in einem nachfolgenden Polarisationsprozess bzw. einem späteren Betrieb
des Multilayer-Piezostacks 1 Polungsrisse 50 bzw.
Risse 55 auftreten. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere dann
vorgesehen, wenn die entsprechenden Risse 50, 55 dazu
neigen, senkrecht bezüglich
der Innenelektroden 20 abzuknicken bzw. sich in Längsrichtung L
des Multilayer-Piezostacks 1 zu verzweigen. Ferner kann
es notwendig sein, den Multilayer-Piezostack 1 zusätzlich mit
Vergröberungen 80 zu
versehen, da ein baugleiches Vorgängermo dell Risse 50, 55 zeigte,
die an Stellen entstanden, an welchen keine erfindungsgemäße Vergröberung 80 vorgesehen war.
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Im
Allgemeinen bilden sich Risse 55 bzw. Polungsrisse 50 in
den inaktiven Kontaktierungszonen 30 bzw. den inaktiven
Bereichen 30 des Multilayer-Piezostacks 1, sowie
an Orten, an welchen interne mechanische Spannungen vorliegen. Daher
ist es beispielsweise erfindungsgemäß möglich, eine Vergröberung 80 außen entlang
der inaktiven Bereiche 30 in Längsrichtung L des Multilayer-Piezostacks 1 vorzusehen.
Bevorzugt erstreckt sich eine solche Vergröberung 80 über alle
inaktiven Bereiche 30 einer Seite des Multilayer-Piezostacks 1 hinweg.
Ferner können
Vergröberungen 80 wenigstens
teilweise auch an aktiven Bereichen vorgesehen sein, was jedoch
unproblematisch ist, da Querrisse 50, 55 in diesen
Bereichen die Funktionstüchtigkeit
des Multilayer-Piezostacks 1 einerseits nicht beeinträchtigen bzw.
die Querrisse 50, 55 wegen der erfindungsgemäßen Entlastung
an anderen Bereichen des Multilayer-Piezostacks 1 nicht
zum Verzweigen neigen.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
entsprechende Vergröberungen 80 innerhalb
des Multilayer-Piezostacks 1 vorzusehen, indem beispielsweise
entsprechende Bohrungen in Längs-,
Quer- oder Diagonalrichtung in den Multilayer-Piezostack 1 eingebracht
sind. Diese Bohrungen weisen eine entsprechend raue Oberfläche auf,
die es erlaubt, an entsprechenden Vertiefungen 82 der Bohrungen
Risse 55 bzw. Polungsrisse 50 entstehen zu lassen.
Solche Bohrungen können
z. B. mittels eines Bohrers oder eines Lasers hergestellt werden,
bzw. von vornherein im Stack 1 vorgesehen sein. Diese Bohrungen
können
Sackloch- oder auch Durchgangsbohrungen sein.
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4 zeigt
den Multilayer-Piezostack 1 in einer im Vergleich zur 3 vergrößerten Seitenansicht,
wobei rechts die Vergröberung 80 an
einer Seite 70 bzw. Außenfläche 70 oder
einer Kante 60 bzw. Außenkante 60 vorgesehen
ist. Wie in 4 dargestellt ist, bilden sich
die Polungsrisse 50 an den Spitzen von Vertiefungen 82 und
wandern von außen
in den Multilayer-Piezostack 1 hinein, wobei sie bei Kontakt
mit einer Innenelektrode 20 in ihrem Wachstum gestoppt
werden. Die Risse 50,55 entstehen bevorzugt an
Vertiefungen 82 mit möglichst
geringem Spitzenradius (oben in der 4) bzw.
an den Stellen innerhalb des Stacks 1, an denen die lokalen
mechanischen Spannungen groß genug
sind, eine weit nach innen reichende vergleichsweise große Vertiefung 82 mit
großem
Spitzenradius an ihrer Spitze aufzuweiten (unten in der 4).
-
Wie
schon in der 3 zu sehen, erstreckt sich die
Vergröberung 80 entlang
derjenigen Seite 70 bzw. derjenigen Kante 60 des
Multilayer-Piezostacks 1, welche benachbart zu den inaktiven
Bereichen 30 liegt.