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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil,
ein Brennstoffeinspritzventil mit solch einem piezoelektrischen
Aktor und ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Aktors. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren
für Brennstoffeinspritzanlagen von
luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Denkbar
ist es, ein piezoelektrisches Bauelement in monolithischer Vielschichtbauweise
mit einem Stapel aus mehreren Keramikschichten und jeweils zwischen
zwei Keramikschichten angeordneten Elektrodenschichten herzustellen.
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Solch
ein Verfahren zur Herstellung hat aber den Nachteil, dass die Herstellung
aufwändig
ist und somit die Herstellungskosten relativ groß sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 8, der erfindungsgemäße Linearantrieb
mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass eine
Herstellung des piezoelektrischen Aktors vereinfacht ist. Speziell
ist eine kostengünstige
Herstellung möglich.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruchs 1 angegebenen
piezoelektrischen Aktors, des im Anspruch 8 angegebenen Brennstoffeinspritzventils,
des im Anspruch 9 angegebenen Linearantriebs und des im Anspruch
10 angegebenen Verfahrens möglich.
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Piezoelektrische
Aktoren mit einer Vielzahl von keramischen Schichten und einer Vielzahl
von zwischen den keramischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten
können
auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Hierbei ist es denkbar, dass
keramische Grünfolien
genutzt werden, die mit einer Innenelektrodenpaste, beispielsweise
auf einer AgPd-Basis,
bedruckt und laminiert werden. Im weiteren Prozess kann die Organik
aus dem Laminat ausgebrannt und der gesamte Aktorkörper im
sogenannten Co-Firing gesintert werden. Dieser Weg ist wegen der
Folienherstellung sehr kostenintensiv und kann angewendet werden,
wenn sehr dünne
Keramikschichten realisiert werden sollen. Für höhere Schichtdicken der Keramik,
die somit auch höhere Ansteuerspannungen
erforderlich machen, sind Verfahren denkbar, bei denen zuvor galvanisch
beschichtete oder mit aufgedruckter und eingebrannter Paste aus
Metall und Glas versehene, gesinterte und plan geschliffene beziehungsweise
geläppte
Keramikscheiben aufeinander gestapelt und mittels eines organischen
Klebstoffs zu dem Vielschichtaktor verbunden werden. Dieser organische
Klebstoff kann auch als Leitkleber ausgestaltet sein, um auch ohne Metallisierung
der Keramikscheiben die Elektrodenschichten auszubilden. Ferner
ist es als weiteres Verfahren zum Fügen von solchen gesinterten
Keramikteilen möglich,
Lötverfahren
einzusetzen, bei denen die gesinterten Keramikteile in einem Galvanikprozess
oder über
eine aufgedruckte und eingebrannte Paste aus Metall und Glas mit
einer lötbaren
Metallschicht, beispielsweise aus Silber, AgPd, Platin oder Gold,
versehen werden. In einem anschließenden Weich- oder Hartlötprozess,
beispielsweise mittels Sn-Lot oder AgCu-Lot, kann das Fügen der
Teile zu einem festen Verbund erfolgen. Allerdings sind diese Verfahren
zur Herstellung relativ aufwändig.
Bei dem Cofiring-Verfahren ist außerdem die Sintertemperatur
durch den Schmelzpunkt der Innenelektrodenlegierung eingeschränkt, so
dass der Einfluss der Diffusion des Innenelektrodenmaterials in
die Keramik beim Sintern beherrscht werden muss. Bei den geklebten
Varianten ist die Betriebstemperatur und Steifigkeit des Aktors
von dem Polymer begrenzt. Die gelötete Variante ist in der Regel
das mit den größten Kosten
verbundene Verfahren.
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Für eine kostengünstige,
robuste Möglichkeit zur
Herstellung von keramischen Vielschicht-Aktorkörpern mit höherer Schichtdicke, beispielsweise
von mehr als 1 mm, können
in vorteilhafter Weise keramische Scheiben zum Ausbilden der keramischen Schichten
dienen, die als gesinterte Keramikpressteile hergestellt werden
können.
Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die keramischen Scheiben
in einem Tablettenprozess hergestellt werden. Bei solch einem Tablettenprozess
kann eine schnell laufende Tablettenpresse keramische Scheiben,
die zum Ausbilden der keramischen Schichten des Aktorskörpers dienen,
in großer
Stückzahl
mit hoher Präzision
und unter geringem Kostenaufwand aus einem gewünschten piezoelektrischen Material
herstellen. Die keramischen Scheiben können dabei relativ flach ausgestaltet
sein. Die keramischen Scheiben lassen sich auf Grund ihrer einfachen
Geometrie und ihrem geringen organischen Binderanteil in einem einfachen
Durchlaufofen in einem Prozessschritt entbindern und sintern, was
bei einlagigem Sinterbesatz zu einer sehr gleichmäßigen Atmosphäre und damit
Sinterergebnis führt,
da auch flüchtige
Bestandteile gleichmäßig abdampfen.
Nach der Sinterung können die
keramischen Scheiben in einem ebenfalls kostengünstig realisierbaren Massen-Schleifverfahren
planparallel auf eine sehr gut definierbare Dicke bearbeitet werden.
Hierbei kann beispielsweise ein Schablonenläppverfahren eingesetzt werden.
Ferner können die
keramischen Scheiben einfach gereinigt werden.
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Ferner
kann in vorteilhafter Weise ein Fügeverfahren durchgeführt werden,
bei dem die einzelnen keramischen Scheiben zu dem Aktorkörper verbunden
werden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die vorbereiteten keramischen
Scheiben auf der ersten Seite mit einem Werkstoff, insbesondere
einer Paste aus einer Metallkomponente und einer Glaskomponente,
vollflächig
bedruckt und durchgetrocknet werden. Anschließend kann in vorteilhafter
Weise die zweite Seite bedruckt werden, wobei vorzugsweise ein Trocknungsvorgang
bei niedrigerer Temperatur und mit kürzerer Zeit durchgeführt wird,
so dass nur ein leichter flüchtiges
Lösungsmittel
abdampft und das zweite, deutlich schwerer flüchtige Lösungsmittel, das sozusagen
als Weichmacher dient, in der aus der Paste gebildeten Schicht verbleibt
und diese in einem klebrig-plastischen Zustand hält. Die so vorbereiteten keramischen
Scheiben können
passgenau aufeinander gestapelt und dann verpresst werden, so dass
sich die getrocknete Pastenschicht und die klebrige Pastenschicht
miteinander verbinden und die einzelnen Scheiben zusammengehalten
sind. Dieser Verbund kann dann verpresst werden. Der verpresste
Verbund kann dann in vorteilhafter Weise in einem kombinierten Entbinderungs-
und Einbrennvorgang fertig gestellt werden, bei dem der in der Paste
enthaltene Glasanteil die Anbindung zur Keramik ausbildet und der
Metallanteil zu einer weitgehend dichten und elektrisch gut leitfähigen Schicht versintert.
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Somit
kann der Werkstoff, insbesondere die als Einbrennpaste dienende
Paste, mit der metallischen Komponente und der Glaskomponente für zwei Aufgaben
dienen. Zum einen als Fügematerial, um
eine mechanische Verbindung herzustellen, und zum anderen als Stromleiter.
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Eine
Abstufung der Körnung
von metallischen Partikeln, die die metallische Komponente bilden,
ist vorzugsweise so gestaltet, dass eine möglichst hohe Packungsdichte
schon in dem vorgetrockneten Zustand erzielt wird. Dadurch kann
eine Schwundrissbildung beim Sintern vermieden werden. Der Volumenanteil
der Glaskomponente liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 15 Volumenprozent.
Die Zusammensetzung der metallischen Komponente und der Glaskomponente
kann in Abhängigkeit
von der zu fügenden
Keramik, das heißt
dem Material der keramischen Schichten, und der dafür zulässigen Prozesstemperatur
vorgegeben sein. Als Metall mit hoher Leitfähigkeit kommt auf Grund der
zu anderen Edelmetallen relativ geringen Kosten vorzugsweise Silber
oder eine auf Silber basierende Legierung zur Anwendung. Die Glaskomponente
kann je nach Einbrenntemperatur und der zu fügenden Keramik bleihaltig oder
bleifrei ausgebildet sein.
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Somit
kann durch den Werkstoff, der zumindest eine metallische Komponente
und zumindest eine Glaskomponente aufweist, sowohl eine Verbindung
der einzelnen keramischen Schichten erfolgen als auch als Innenelektroden
dienende Elektrodenschichten hergestellt werden. Hierbei können die
gesinterten Keramikscheiben, die die keramischen Schichten bilden,
kostengünstig
hergestellt werden. Hierdurch kann ein monolithischer anorganischer Stapelverbund
hergestellt werden, wobei gleichzeitig die als Innenelektroden dienenden
Elektrodenschichten ausgebildet werden. Die Elektrodenschichten können hierbei
in einem Postfiring-Prozess bei relativ niedrigen Einbrenntemperaturen,
beispielsweise aus einem Bereich von 600°C bis 700°C, gebildet werden. Hierdurch
ist eine weitgehende oder völlige
Unabhängigkeit
von der Sintertemperatur der Keramik möglich, so dass in vorteilhafter
Weise die für
das Keramikmaterial günstigste
Prozesstemperatur gewählt werden
kann. Beispielsweise kann für
eine auf PZT basierte Keramik eine Temperatur aus einem Bereich von
etwa 1000°C
bis etwa 1100°C
gewählt
werden. Für
andere bleifreie Materialien können
gegebenenfalls sogar noch höhere
Temperaturen gewählt
sein.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer
schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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2 ein
schematisches Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens
zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktors entsprechend einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen
Aktor 2 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen
von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine
Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff
unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Der
erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktor 2 eignet sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und
der erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktor 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Ein
weiterer spezieller Anwendungsfall ist ein Linearantrieb mit dem
piezoelektrischen Aktor 2, wobei der piezoelektrische Aktor 2 zumindest
näherungsweise
in einer resonanten Betriebsart betätigbar ist. Auf Grund des resonanten
Betriebs kann bei verhältnismäßig niedrigen
Betriebsspannungen und damit geringen elektrischen Feldern gearbeitet
werden. Hierbei eignet sich besonders ein Aktor 2, bei dem
die Schichtdicken eines keramischen materials in einem Bereich von
etwa 1 mm bis etwa 3 mm liegen.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und
einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen
Brennstoffeinlassstutzen 4 auf. An den Brennstoffeinlassstutzen 4 kann
eine Brennstoffleitung angeschlossen werden. Dadurch ist Brennstoff über den
Brennstoffeinlassstutzen 4 in einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Aktorraum 5 einleitbar. Der Aktorraum 5 ist durch
ein Gehäuseteil 6 von
einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Brennstoffraum 7 getrennt. In dem Gehäuseteil 6 sind Durchlassöffnungen 8, 9 vorgesehen,
um den über
den Brennstoffeinlassstutzen 4 in den Aktorraum 5 geführten Brennstoff
in den Brennstoffraum 7 zu leiten.
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Außerdem ist
ein Ventilsitzkörper 10 vorgesehen,
der mit dem Ventilgehäuse 3 verbunden
ist. An dem Ventilsitzkörper 10 ist
eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet,
die mit einem Ventilschließkörper 12 zu einem
Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist der Ventilschließkörper 12 einstückig mit
einer Ventilnadel 15 ausgebildet, über die der Ventilschließkörper 12 mit einer
im Aktorraum 5 vorgesehenen Druckplatte 16 verbunden
ist. Das Gehäuseteil 6 führt die
Ventilnadel 15 in Richtung einer Achse 17 des
Brennstoffeinspritzventils 1. Eine Ventilfeder 18,
die einerseits an dem Gehäuseteil 6 und
andererseits an der Druckplatte 16 anliegt, beaufschlagt
die Ventilnadel 15 mittels der Druckplatte 16 mit
einer Schließkraft.
Dadurch ist der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der Ventilsitzfläche 11 gebildete
Dichtsitz im Ausgangszustand geschlossen.
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Außerdem ist
an dem Ventilgehäuse 3 ein Anschlusselement 20 vorgesehen,
um eine elektrische Zuleitung an das Brennstoffeinspritzventil 1 anzuschließen. Die
elektrische Zuleitung kann dabei mittels eines Steckers an elektrische
Leitungen 21, 22 angeschlossen werden, die durch
das Gehäuse 3 und
einen an einen Aktorkörper 13 des
Aktors 2 angefügten
Aktorfuß 23 an
den Aktorkörper 13 geführt sind.
Ferner ist an den Aktorkörper 13 des
Aktors 2 ein Aktorkopf 24 angefügt. Der
piezoelektrische Aktor 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
den Aktorkörper 13,
den Aktorfuß 23 und
den Aktorkopf 24.
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Der
Aktorkörper 13 des
piezoelektrischen Aktors 2 weist eine Vielzahl von keramischen
Schichten 25, 26, 27, 28 und
eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 25, 26, 27, 28 angeordneten Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33, 34 auf.
Dabei sind zur Vereinfachung der Darstellung nur die keramischen
Schichten 25, 26, 27, 28 und
die Elektrodenschichten 30, 31, 32, 33, 34 gekennzeichnet.
Die Elektrodenschichten 30 bis 34 sind abwechselnd
mit der elektrischen Leitung 21 und der elektrischen Leitung 22 verbunden.
Zum Verbinden der Elektrodenschichten 30 bis 34 mit
den elektrischen Leitungen 21, 22 dienen Außenelektrodenanbindungen 40, 41.
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Über die
elektrischen Leitungen 21, 22 kann der piezoelektrische
Aktor 2 geladen werden, wobei sich dieser in Richtung der
Achse 17 ausdehnt, wodurch der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der
Ventilsitzfläche 11 ausgebildete
Dichtsitz geöffnet wird.
Dadurch kommt es zum Abspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffraum 7 über einen
Ringspalt 42 und den geöffneten
Dichtsitz. Beim Entladen zieht sich der piezoelektrische Aktor 2 wieder
zusammen, so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der Ventilsitzfläche 11 ausgebildete
Dichtsitz geschlossen ist.
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Die
keramischen Schichen 25 bis 28 des Aktorkörpers 13 sind
durch keramische Scheiben 25 bis 28 gebildet.
Ferner sind die Elektrodenschichten 30 bis 34 aus
einem Werkstoff gebildet, der zumindest eine metallische Komponente
und zumindest eine Glaskomponente aufweist. Die Elektrodenschichten 30 bis 34 sorgen
hierbei für
eine mechanische Verbindung der keramischen Schichten 25 bis 28.
Die Ausgestaltung des Aktorkörpers 13 und
die Herstellung des Aktorkörpers 13 des
piezoelektrischen Aktors 2 ist im Folgenden unter Bezugnahme
auf die 2 in weiterem Detail beschrieben.
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2 zeigt
ein schematisches Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens
zur Herstellung des piezoelektrischen Aktors 2. Das Verfahren
beginnt mit einem Schritt 43. In einem Tablettenprozess
können
mittels einer schnell laufenden Tablettenpresse eine Vielzahl von
flachen, keramischen Scheiben 25, 26 mit hoher
Präzision
und unter geringem Kostenaufwand hergestellt werden. Hierbei werden
die keramischen Scheiben 25, 26 aus einem piezoelektrischen
Material hergestellt. Die keramischen Scheiben 25, 26 werden
dann entbindert und gesintert. Nach der Sinterung erfolgt im Schritt
S1 ein Schleifen der keramischen Scheiben 25, 26.
Dadurch ist eine erste Seite 44 der keramischen Scheibe 25 planparallel
zu einer zweiten Seite 45 der keramischen Schicht 25.
Entsprechend werden eine erste Seite 44' und eine zweite Seite 45' der keramischen Scheibe 26 und
die Seiten einer Vielzahl von weiteren keramischen Scheiben in einem
Massen-Schleifverfahren
planparallel bearbeitet, so dass die keramischen Scheiben 25, 26 eine
definierte Dicke aufweisen.
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Dann
werden die keramischen Scheiben 25, 26 im Schritt
S2 an ihren ersten Seiten 44, 44' mit einer Paste 46A, 46B aus
einem Werkstoff 46 vollflächig bedruckt. Dieser Werkstoff 46 weist
eine metallische Komponente und eine Glaskomponente auf. Die Paste 46A auf
der ersten Seite 44 der keramischen Scheibe 25 sowie
die Paste 46B auf der ersten Seite 44' der keramischen
Scheibe 26 werden dann im Schritt S3 getrocknet, insbesondere
durchgetrocknet. Anschließend
werden die keramischen Scheiben gewendet.
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Im
Schritt S3 werden die keramischen Scheiben 25, 26 an
ihren zweiten Seiten 45, 45' mit einer Paste 47A, 47B aus
einem Werkstoff 47 bedruckt. Der Werkstoff 47 weist
hierbei eine metallische Komponente und eine Glaskomponente auf.
Außerdem weist
der Werkstoff 47 ein erstes Lösungsmittel und ein zweites
Lösungsmittel
auf, wobei das erste Lösungsmittel
leichter flüchtig
ist als das zweite Lösungsmittel.
Das zweite Lösungsmittel
des Werkstoffs 47 dient hierbei als Weichmacher.
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Im
folgenden Schritt S4, in dem die keramischen Scheiben 25, 26 einem
weiteren Trocknungsprozess ausgesetzt werden, dampft nur das leichter flüchtige Lösungsmittel
ab, während
das deutlich schwerer flüchtige
zweite Lösungsmittel
in den Pasten 47A, 47B verbleibt und diese in
einem klebrig-plastischen Zustand hält. Diese so vorbereiteten keramischen
Scheiben 25, 26 werden im folgenden Schritt S5
mit einer Vielzahl weiterer keramischen Scheiben 27, 28 passgenau
aufeinander gestapelt. Hierbei wird die Keramische Scheibe 25 so
auf die keramische Scheibe 26 gestapelt, dass die erste
Seite 44 der keramischen Scheibe 25 der zweiten
Seite 45' der
keramischen Scheibe 26 zugewandt ist. Die an der ersten
Seite 44 der keramischen Schicht 25 vorgesehene,
durchgetrocknete Paste 46A aus dem Werkstoff 46 wird
hierbei mit der auf der zweiten Seite 45' der keramischen Scheibe 26 vorgesehenen, teilgetrockneten
Paste 47B aus dem Werkstoff 47 zusammengefügt. Ferner
werden die aufeinander gestapelten keramischen Schichten 25 bis 28 verpresst.
Bei diesem Verpressen verbindet sich unter anderem die getrocknete Paste 46A der
keramischen Scheibe 25 mit der teilgetrockneten, klebrigen Paste 47B der
keramischen Scheibe 26. Somit sind die einzelnen keramischen
Schichten 25 bis 28 über die Pasten 46A, 46B, 47A, 47B zusammengehalten. Für die Pasten 46A, 46B, 47A, 47B können unterschiedliche
Werkstoffe 46, 47 vorgesehen sein, wobei der Werkstoff 47 im
Unterschied zu dem Werkstoff 46 neben einem ersten Lösungsmittel
auch das schwerflüchtige
zweite Lösungsmittel
enthält.
Allerdings kann aus praktischen Gründen auch der gleiche Werkstoff
für die
Pasten 46A, 46B, 47A, 47B zum
Einsatz kommen, so dass der Werkstoff 46 identisch mit
dem Werkstoff 47 ist. Das Durchtrocknen der Pasten 46A, 46B kann
dabei auf geeignete Weise erfolgen. Möglich ist es allerdings auch,
dass die Pasten 46A, 46B nur teilweise getrocknet
werden, so dass auch diese einen klebrig-plastischen Zustand während der
Schritte S2, S3, S4 und S5 aufweisen.
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Entsprechend
sind im Schritt S5 auch zwischen den keramischen Schichten 26, 27, 28 getrocknete
und/oder klebrige Pastenschichten 48, 49 vorgesehen.
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Der
im Schritt S5 hergestellte, verpresste Verbund der keramischen Schichten 25 bis 28 und der
Elektrodenschichten 30 bis 34 wird dann im Schritt
S6 in einem kombinierten Entbinderungs- und Einbrennvorgang fertig
gestellt. Der in den Werkstoffen 46, 47 enthaltene
Glasanteil bildet hierbei die Anbindung zu dem keramischen Material
der keramischen Schichten 25 bis 28, die durch
die keramischen Scheiben 25 bis 28 gebildet sind,
aus. Ferner weist die metallische Komponente der Werkstoffe 46, 47 metallische
Partikel auf, die in einer Körnung
abgestuft sind, welche eine hohe Packungsdichte im vorgetrockneten
Zustand erreicht. Die metallische Komponente versintert hierbei
zu jeweils einer weitgehend dichten und elektrisch gut leitfähigen Elektrodenschicht 30 bis 34.
Somit bilden sich im Schritt S6 Elektrodenschichten 30 bis 34 aus,
die zum einen eine mechanische Verbindung der keramischen Schichten 25 bis 28 untereinander
ermöglichen
und zum anderen eine vorteilhafte, elektrisch gut leitende Schichtstruktur
aufweisen. Speziell ist eine Schwundrissbildung beim Sintern verhindert
oder zumindest erheblich verringert.
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Somit
wird im Schritt S6 der Aktorkörper 13 aus
einer Vielzahl von keramischen Schichten 25 bis 28 und
einer Vielzahl von Elektrodenschichten 30 bis 34 gebildet.
Im Schritt S7 endet das Verfahren.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiel beschränkt.