Piezoelektrisches Aktorbauelement und Verfahren zur Herstel ^¬ lung eines piezoelektrischen Aktorbauelements

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktorbauelement mit piezoelektrischen Schichten, bei dem eine Zerstörung durch Polungsrisse weitgehend verhindert werden kann. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktorbauelements mit piezo ^¬ elektrischen Schichten, wobei eine Zerstörung des Bauelements durch Ausbildung von Polungsrissen weitgehend vermieden werden kann.

Ein piezoelektrisches Aktuatorbauelement umfasst einen Stapel von übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten, die beispielsweise keramische Schichten sein können. Zwischen den keramischen Schichten sind leitfähige Schichten als E- lektrodenschichten zum Anlegen einer Spannung an die Stapelanordnung angeordnet. Erste der Elektrodenschichten erstrecken sich ausgehend von einer ersten Oberfläche in den

Schichtstapel hinein und enden in einem Abstand vor einer zweiten Oberfläche in den Stapel. Die zweite Oberfläche des Schichtstapels kann eine zu der ersten Oberfläche gegenüber ^¬ liegende Oberfläche sein. Zweite der Elektrodenschichten erstrecken sich ausgehend von der zweiten Oberfläche in den Schichtstapel und enden in einem Abstand vor der ersten Oberfläche .

Beim Anlegen einer Spannung an die ersten und zweiten Elektrodenschichten tritt in einem aktiven Bereich der piezoelektrischen Schichten, in dem sowohl die ersten als auch die zweiten Elektrodenschichten angeordnet sind, ein piezoelekt- rischer Effekt auf, der zu einer Auslenkung des Aktuatorbau- teils führt. In Isolationszonen nahe der ersten und zweiten Oberfläche des Stapels, in denen jeweils nur die ersten E- lektrodenschichten oder nur die zweiten Elektrodenschichten angeordnet sind, tritt beim Anlegen einer Spannung an die ersten und zweiten Elektrodenschichten keine Längenänderung der piezoelektrischen Schichten auf.

Nach der Polung der piezoelektrischen Schichten und auch im späteren Betrieb können sich im piezoelektrischen Material der Isolationszone Risse, sogenannte Polungsrisse, ausbilden. Diese Polungsrisse entstehen durch mechanische Spannungen in der Isolationszone. Die Polungsrisse führen zu einer Redukti ^¬ on der mechanischen Spannungsfelder in der Isolationszone. Je nach Design des Piezoaktuators bilden sich die Polungsrisse an der Grenzfläche zwischen Elektrodenschicht und benachbar ^¬ ter keramischer Schicht, innerhalb der keramischen Schichten, oder aber in eigens dafür vorgesehenen Sollbruch-Lagen aus. In der Isolationszone verlaufen die Risse im Allgemeinen parallel zur Elektrodenebene. Bei zu hohen Spannungen an den Elektrodenschichten kann es in Abhängigkeit von der elektro- mechanischen Last zu einem Wachstum der Polungsrisse kommen. Durch die Charakteristik des mechanischen Spannungsfeldes kann insbesondere am Übergang von Isolationszone und aktivem Bereich des Aktuators ein Abzweigen der Risse auftreten. Dadurch können innerhalb des Stapels leitfähige Pfade entste ^¬ hen, infolgedessen es zu einem Bauteilversagen kommen kann. Es ist wünschenswert, ein piezoelektrisches Aktorbauelement anzugeben, bei dem ein Abzweigen der Polungsrisse in das piezoelektrische Material weitestgehend verhindert werden kann. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktuatorbauteils angegeben werden, bei dem ein Abzweigen von Polungsrissen in das piezoelektrische Material weitestgehend verhindert wird.

Ein derartiges piezoelektrisches Aktorbauelement und ein Ver ^¬ fahren zur Herstellung eines solchen Aktorbauelements sind den Patentansprüchen zu entnehmen.

Eine Aus führungs form eines piezoelektrischen Aktorbauelements umfasst eine Vielzahl von leitfähigen Schichten und eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel angeordneten piezoelektrischen Schichten. Die Vielzahl der leitfähigen Schichten sind zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet. Mindestens eine der Vielzahl der leitfähigen Schichten weist in einem Abschnitt eine erste Schichtdicke und in einem wei ^¬ teren Abschnitt eine zweite Schichtdicke auf, wobei die zwei ^¬ te Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist.

Durch das spezielle Design der Innenelektrodenschichten mit unterschiedlicher Schichtstärke kann durch Ausbildung eines zusätzlichen Spannungsfeldes die Ausbildung abzweigender Risse im Übergangsbereich zwischen Isolationszone und dem aktiven Bereich des Aktuators weitgehend unterdrückt beziehungs ^¬ weise verhindert werden. Das Elektrodendesign zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenelektrodenschichten im Übergangsbereich zwischen Isolationszone und aktivem Bereich deutlich dicker als im aktiven Bereich ausgeführt sind.

Bei der Herstellung von Multilagen-Piezoaktuatoren führt die Abkühlung nach dem Sintern aufgrund des deutlich kleineren Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten der piezoelektrischen beziehungsweise keramischen Schichten gegenüber den metallischen Schichten der Elektroden dazu, dass sich in dem Stapel aus keramischen Material und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten Spannungen einstellen. Durch diese Spannungen werden die Elektroden lateral, das heißt normal zur Aktorachse, unter Zug und die benachbarte Keramik unter Druck beansprucht. Da die Höhe dieses Drucks von der Dicke der benach ^¬ barten Elektrodenschichten abhängt, führt die oben genannte Aus führungs form des piezoelektrischen Aktorbauelements dazu, dass im Übergangsbereich Isolationszone/aktiver Bereich die herstellungsbedingten lateralen Druckspannungen in der Keramik größer als in den übrigen Bereichen sind. Dadurch werden im Betrieb auftretende Zugkomponenten verringert. Somit kann die Neigung zum Abzweigen der Polungsrisse deutlich reduziert beziehungsweise gänzlich verhindert werden.

Eine Aus führungs form eines Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktorbauelements umfasst das Bereitstellen einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, das Beschichten jeder der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten mit einer leitfähigen Schicht durch ein Bedruckungsverfahren, insbesondere ein Siebdruckverfahren, unter Verwendung einer ersten Schablone. Zusätzliches Material der leitfähigen

Schicht wird auf mindestens eine der leitfähigen Schichten in einem nachfolgenden Bedruckungsverfahren unter Verwendung einer zweiten Schablone derart aufgebracht, dass die mindestens eine der leitfähigen Schichten in einem Abschnitt eine erste Schichtdicke und in einem weiteren Abschnitt eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist. Die beschichteten piezoelekt ^¬ rischen Schichten werden zu einem Stapel übereinander gestapelt und verpresst. Aus dem Stapel können einzelne Aktorbau ^¬ teile vereinzelt werden, die anschließend zu einem dichten Körper gesintert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert . Es zeigen:

Figur 1 eine Aus führungs form eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements,

Figur 2 einen Ausschnitt aus einer Aus führungs form eines

Aktuatorbauelements mit abzweigenden Polungsrissen,

Figur 3A eine Aus führungs form eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements zur Vermeidung der Abzweigung von Polungsrissen,

Figur 3B eine vergrößerte Darstellung einer Aus führungs form eines Bereichs von Elektrodenschichten mit erhöhter Schichtdicke,

Figur 4A eine weitere Aus führungs form eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements zur Vermeidung der Ab ^¬ zweigung von Polungsrissen,

Figur 4B eine vergrößerte Darstellung einer Aus führungs form eines Bereichs von Elektrodenschichten mit erhöhter Schichtdicke,

Figur 5 eine grafische Veranschaulichung zur Definition ei- ner Umfangsspannung an einer Rissspitze,

Figur 6 ein Diagramm einer Umfangsspannung als Funktion der

Riss fortschrittsrichtung,

Figur 7A eine Aus führungs form eines Verfahrens zur Herstel ^¬ lung einer Elektrodenschicht auf einer piezoelekt ^¬ rischen Schicht, Figur 7B eine Aus führungs form eines Verfahrens zum Aufbringen von zusätzlichem Material auf einer leitfähigen Schicht zur Ausbildung eines Bereichs der leitfähigen Schicht mit einer höheren Schichtdicke.

Figur 1 zeigt eine Aus führungs form eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements , bei dem piezoelektrische Schichten 30 in einem Stapel 100 übereinander angeordnet sind. Zwischen den piezoelektrischen Schichten 30 sind leitfähige Schichten 10, 20 angeordnet, die jeweils eine Innenelektrodenschicht im In ^¬ neren des Stapels 100 bilden. Elektrodenschichten 10 erstrecken sich von einer Oberfläche 0100a in den piezoelektrischen Schichtstapel und enden in einem Abstand vor einer gegenüberliegenden Oberfläche 0100b. Elektrodenschichten 20 verlaufen ausgehend von der Oberfläche 0100b in das Innere des Stapels 100 und enden in einem Abstand vor der Oberfläche 0100a. Die Elektrodenschichten 10 sind über eine Außenmetallisierung 41 zum Anlegen einer Spannung miteinander verbunden. Die Elektrodenschichten 20 sind über eine Außenmetallisierung 42 zum Anlegen einer Spannung miteinander verbunden.

Die Elektrodenschichten 10 und 20 sind in Längsrichtung des Aktors abwechselnd in dem Schichtstapel 100 angeordnet. Die ^¬ jenigen Bereiche des Stapels 100, an denen sich die Elektro- denschichten 10 und 20 überlappen, stellen den aktiven Bereich B0 des Aktuators dar. Die Randbereiche zwischen den Au ^¬ ßenmetallisierungen 41, 42 und dem Beginn des aktiven Bereichs, in denen somit jeweils nur eine der Elektrodenschichten 10 oder 20 angeordnet ist, bilden die Isolationszone Bl . Beim Anlegen einer Spannung an die Außenmetallisierungen 41 und 42 tritt lediglich im aktiven Bereich eine Auslenkung des Aktuatorbauelements auf. Im Bereich der Isolationszone, in der nur ein Potential anliegt, tritt beim Anlegen einer äuße ^¬ ren Spannung keine Auslenkung des Aktuatorbauelements auf. Bei der Polung und auch im weiteren Betrieb des Piezoaktua- tors können sich an der Grenzfläche zwischen Elektrodenschicht und piezoelektrischer beziehungsweise keramischer Schicht Risse, die sogenannten Polungsrisse, ausbilden. Wie in Figur 1 gezeigt ist, verlaufen die Risse in der Isolati ^¬ onszone weitgehend parallel zur Elektrodenebene. Insbesondere am Übergang zwischen Isolationszone Bl und dem aktiven Bereich BO weist das mechanische Spannungsfeld der übereinander gestapelten Schichten jedoch wesentliche laterale Spannungs- komponenten, das heißt Spannungskomponenten die normal zur

Aktorachse verlaufen, auf. Bei weiterem Rissfortschritt kön ^¬ nen diese Spannungen potentiell zu einem Abzweigen der Risse führen . Figur 2 zeigt einen Ausschnitt des piezoelektrischen Aktorbauelements der Figur 1 mit den Elektrodenschichten 10 und 20, die sich von verschiedenen Seiten des Stapels 100 in das Material der Keramik 30 erstrecken. Der Verlauf von Rissen R, die bei der Polung oder im späteren Betrieb des Bauteils ent- standen sein können, ist im Material der piezoelektrischen Schichten 30 strichliert eingezeichnet. Zunächst verlaufen die Risse ausgehend von den Oberflächen 0100a beziehungsweise 0100b noch weitgehend parallel zu den Elektrodenebenen, zwei ^¬ gen dann jedoch in das keramische Material 30 ab. Die Risse können die keramischen Schichten zwischen zwei Elektrodenebenen durchdringen und somit zur Bildung leitfähiger Pfade führen, die ein Bauelementversagen zur Folge haben können.

Ob in dem Übergangsbereich zwischen Isolationszone Bl und ak- tivem Bereich B0 ein Abzweigen der Risse auftritt, hängt zum einen von den einzelnen Hauptkomponenten des Spannungsfeldes und damit von der elektromechanischen Belastung ab. Insbesondere fördern laterale, das heißt normal zur Aktorachse ver ^¬ laufende Anteile des Spannungstensors das Abzweigen der Ris- se. Zum anderen hängt das Abzweigen der Risse von der Inhomo ^¬ genität der Festigkeit, insbesondere der Auszeichnung einer Ebene geringer Festigkeit parallel zu den Innenelektroden, ab. Bei Aktoren, bei denen sich die Risse zwischen einer Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht ausbil ^¬ den, ist der Unterschied in der Festigkeit dieser Anbindung im Vergleich zur Festigkeit der piezoelektrischen Schicht sehr gering. Dadurch treten bei diesen Aktoren häufig bereits bei geringen Überspannungen abzweigende Risse auf.

Die Figuren 3A und 4A zeigen jeweils eine Aus führungs form eines piezoelektrischen Aktorbauelements 1, 2 zur Vermeidung der Abzweigung von Polungsrissen in das Innere der piezoelektrischen Schichten 30. Die Aktorbauelemente 1 und 2 wei- sen eine Vielzahl von leitfähigen Schichten 10, 20 und eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel 100 angeordneten piezoelektrischen Schichten 30 auf. Die Vielzahl der leitfähigen Schichten 10, 20 ist zwischen den piezoelektrischen Schichten 30 angeordnet. Mindestens eine der Vielzahl der leitfähigen Schichten 10, 20 weist in einem Abschnitt A0 der mindestens einen leitfähigen Schicht eine erste Schichtdicke und in einem weiteren Abschnitt, AI, A2 eine zweite Schicht ^¬ dicke auf, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist.

Bei den in den Figuren 3 und 4 gezeigten Aus führungs formen der piezoelektrischen Aktorbauelemente verlaufen die leitfähigen Schichten 10 von einer Oberfläche OlOOa des Stapels 100 in den Stapel der piezoelektrischen Schichten und enden in einem Abstand d entfernt von einer Oberfläche 0100b des

Schichtstapels. Leitfähige Schichten 20 erstrecken sich aus ^¬ gehend von der Oberfläche 0100b des Schichtstapels in den Stapel 100 hinein und enden in dem Abstand d vor der Oberflä ^¬ che OlOOa. Die ersten und zweiten leitfähigen Schichten bil- den Elektrodenschichten, an die ein Spannungspotential anlegbar ist. Die Elektrodenschichten 10 können beispielsweise durch eine auf der Oberfläche 0100a angebrachte Außenmetalli ^¬ sierung 41 miteinander verbunden sein. Ebenso können die E- lektrodenschichten 20 durch eine auf der Oberfläche 0100b aufgebrachte Außenmetallisierung 42 untereinander elektrisch verbunden sein.

Diejenigen Bereiche innerhalb des Schichtstapels 100 der Fi- guren 3A und 4B, an denen sich die Elektrodenschichten 10 und 20 überlappen, bilden den aktiven Bereich des Aktuators, der beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten 10 und 20 eine Längenänderung erfährt. Der Randbereiche zwischen der Oberfläche 0100a und dem aktiven Bereich B0 und der Randbe- reiche zwischen der Oberfläche 0100b und dem aktiven Bereich B0 stellen die Isolationszonen Bl dar. Im Bereich der Isolationszonen Bl tritt beim Anlegen einer äußeren Spannung an das Aktuatorbauelement keine Auslenkung auf. Figur 3B zeigt den Abschnitt AI einer der leitfähigen Schichten 10, der im Vergleich zu dem Abschnitt A0 der leitfähigen Schicht 10 die erhöhte Schichtdicke aufweist, in einer ver ^¬ größerten Darstellung. Der Abschnitt AI der leitfähigen

Schicht 10 weist einen Teilabschnitt TAI auf, der zwischen einer Position PlOa und einer Position PlOb der leitfähigen Schicht 10 liegt. Die Position PlOa liegt in dem Abstand d von der Oberfläche 0100a entfernt. Die Position PlOb liegt zwischen der Position PlOa und der Oberfläche 0100a. Der Abschnitt AI der leitfähigen Schicht 10 weist einen Teilabschnitt TA2 auf, der zwischen der Position PlOa und einer Position PlOc der leitfähigen Schicht 10 liegt. Die Position PlOc liegt zwischen der Position PlOa und der Oberfläche 0100b des Schichtstapels. Der Abschnitt AI der leitfähigen Schicht weist des Weiteren einen Teilabschnitt TA3 auf. Der Teilabschnitt TA3 liegt zwischen der Position PlOb und der Oberfläche 0100a des Schichtstapels. Figur 3B zeigt des Weiteren den Abschnitt AI einer der leitfähigen Schichten 20, die in dem Schichtstapel benachbart zu der leitfähigen Schicht 10 angeordnet ist, in einer vergrö ^¬ ßerten Darstellung. In dem Abschnitt AI weist die leitfähige Schicht 20 im Vergleich zu ihrem übrigen Abschnitt A0 eine erhöhte Schichtdicke auf. Der Abschnitt AI der leitfähigen

Schicht 20 umfasst einen Teilabschnitt TAI, der zwischen ei ^¬ ner Position P20a und einer Position P20b der leitfähigen Schicht 20 liegt. Die Position P20a liegt von der Oberfläche 0100b des Schichtstapels in dem Abstand d entfernt. Die Posi- tion P20b liegt zwischen der Position P20a und der Oberfläche 0100b des Schichtstapels.

Der Abschnitt AI der leitfähigen Schicht 20 weist einen Teil ^¬ abschnitt TA2 und einen Teilabschnitt TA3 auf. Der Teilab- schnitt TA2 liegt zwischen der Position P20a und einer Position P20c der leitfähigen Schicht 20. Die Position P20c liegt zwischen der Position P20a und der Oberfläche 0100a. Der Teilabschnitt TA3 liegt zwischen der Position P20b und der Oberfläche 0100b des Schichtstapels.

Um ein Abzweigen der Polungsrisse in dem gesamten Schichtstapel zu vermeiden, weisen sämtliche der leitfähigen Schichten 10 und 20 in dem Schichtstapel 10 in dem Abschnitt AI gegen ^¬ über dem Abschnitt A0 eine erhöhte Schichtdicke auf. Die er- höhte Schichtdicke kann das Zwei- bis Vierfache der Schicht ^¬ dicke des Abschnitts A0 betragen. Die Elektrodenschichten 10 und 20 können beispielsweise eine Schichtstärke zwischen 1 μπι und 3 μπι aufweisen. In dem aufgedickten Bereich weisen die Elektrodenschichten eine Schichtdicke zwischen 2 μπι und 12 μπι auf .

Das Material der leitfähigen Schichten 10 und 20 kann im Ab- schnitt AI dasselbe Material wie im Abschnitt A0 sein. Für den Abschnitt AI können die leitfähigen Schichten 10 und 20 aber auch im Vergleich zum Abschnitt A0 eine andere Material ^¬ zusammensetzung haben. Es können auch die gleichen Materialien mit unterschiedlichem Mischungsverhältnis für den Ab- schnitt AI und den Abschnitt A0 verwendet werden.

Figur 4A und 4B zeigen eine weitere Aus führungs form eines piezoelektrischen Aktorbauelements 2 zur Vermeidung von abzweigenden Polungsrissen im Übergangsbereich zwischen aktivem Bereich B0 und inaktivem Bereich Bl . Im Unterschied zu den in den Figuren 3A und 3B gezeigten Aus führungs formen erstreckt sich ein Abschnitt A2 des verdickten Innenelektrodenbereichs lediglich teilweise in der Isolationszone Bl und im aktiven Bereich B0. Der Abschnitt A2 der erhöhten Schichtdicke reicht insbesondere in der Isolationszone Bl nicht bis an die Ober ^¬ flächen 0100a und 0100b des Schichtstapels.

Figur 4B zeigt die leitfähigen Schichten 10 und 20 mit den Abschnitten A2 der erhöhten Schichtdicke in einer vergrößer- ten Darstellung. Im Unterschied zu der in den Figuren 3A und 3B gezeigten Aus führungs form weisen die leitfähigen Schichten 10 und 20 in den Abschnitten A2 lediglich den Teilabschnitt TAI und den Teilabschnitt TA2 auf. Der Teilabschnitt TAI des Abschnitts A2 der leitfähigen

Schicht 10 ist zwischen der Position PlOa und der Position PlOb der leitfähigen Schicht 10 angeordnet, wobei die Positi ^¬ on PlOa in dem Abstand d von der Oberfläche 0100a entfernt liegt und die Position PlOb zwischen der Position PlOa und der Oberfläche 0100a liegt. Der Teilabschnitt TA2 der leitfä ^¬ higen Schicht 10 liegt zwischen der Position PlOa und einer Position PlOc der leitfähigen Schicht 10, wobei die Position PlOc zwischen der Position PlOa und der Oberfläche 0100b des Schichtstapels liegt.

Der Teilabschnitt TAI des Abschnitts A2 der leitfähigen

Schicht 20 ist zwischen einer Position P20a und einer Position P20b der leitfähigen Schicht 10 angeordnet, wobei die Po- sition P20a in dem Abstand d von der Oberfläche 0100b ent ^¬ fernt liegt und die Position P20b zwischen der Position PlOa und der Oberfläche 0100b liegt. Der Teilabschnitt TA2 der leitfähigen Schicht 20 liegt zwischen der Position P20a und einer Position P20c der leitfähigen Schicht 20, wobei die Po- sition P20c zwischen der Position P20a und der Oberfläche

0100a des Schichtstapels liegt. Bei den in den Figuren 4A und 4B gezeigten Aus führungs formen liegen die Positionen PlOb, P20b und die Position PlOc, P20c um weniger als den Abstand d der Isolationszone von der Position PlOa, P20a entfernt.

Bei der in den Figuren 4A und 4B gezeigten Aus führungs form weisen sämtliche der leitfähigen Schichten 10 und 20 in ihren jeweiligen Abschnitten A2 im Vergleich zu ihren jeweiligen Abschnitten A0 die erhöhte Schichtdicke auf. Die erhöhte Schichtdicke kann das Zwei- bis Vierfache der Schichtdicke in dem Abschnitt A0 betragen. Die Elektrodenschichten 10 und 20 können beispielsweise eine Schichtstärke zwischen 1 μπι und 3 μπι aufweisen. In dem aufgedickten Bereich weisen die Elektrodenschichten eine Schichtdicke zwischen 2 μπι und 12 μπι auf.

Im Abschnitt A2 können die leitfähigen Schichten 10 und 20 das gleiche Material wie im Abschnitt A0 aufweisen. Im Ab ^¬ schnitt A2 kann auch ein anderes Material als im Abschnitt A0, insbesondere ein Material mit einer anderen Zusammenset- zung beziehungsweise einem anderen Mischungsverhältnis, ver ^¬ wendet werden.

Mittels einer finite Elementsimulation lassen sich Spannungsfelder an der Rissspitze von Polungsrissen simulieren. Auf Basis der berechneten Spannungsfelder kann das Risiko zur Rissabzweigung abgeschätzt werden. Berechnet wurden Spannungsfelder für herkömmliche Vielschicht-Piezoaktoren, bei denen die Elektrodenschichten eine einheitliche Dicke aufwei ^¬ sen, sowie für Aktoren mit einer Verstärkung der Elektrodenschichten im Abschnitt A2. Für die Simulation wurde in den Abschnitten A2 die zweifache und dreifache Elektrodendicke angenommen .

In Figur 5 ist das verwendete Simulationsmodell mit der akti ^¬ ven Zone B0, der Isolationszone Bl und einem Polungsriss R dargestellt. Aufgrund von Bauteilsymmetrien können die Untersuchungen anhand des abgebildeten Ausschnitts des Vielschich- taktors erfolgen.

Die Komponente des Spannungste: .sors tangential zu einem

Kreisbogen mit Radius r um die Rissspitze beschreibt die so- genannte Umfangsspannung Scp in Richtung des Vektors e_cp. Die Rissfortpflanzungsrichtung ist im linear elastischen Fall und bei homogener Risszähigkeit de Materials durch enen Winkel φ bestimmt, für den die Umfang Spannung maximal ist.

In Figur 6 sind die Simulationsergebnisse der Umfangsspannung als Funktion des Winkels φ dargestellt. Die Simulationen wur ^¬ den für einen Piezoaktor einfacher Schichtdicke im Abschnitt A2 und mit einer zweifach beziehungsweise dreifach erhöhten Schichtdicke unter Überlastbedingungen mit einem E-Feld von 3 kV/mm und einer axial mechanischen Vorspannung von 20 MPa durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter diesen Bedin- gungen bei einem Aktorbauelement, bei dem die Elektroden ^¬ schichten in den Abschnitten A0 und A2 eine einheitliche Schichtdicke aufweisen, die Umfangsspannung bei cirka ±60° maximal wird. Bei diesem Winkeln ist bei isotroper Risszähig- keit eine Abzweigung der Polungsrisse zu erwarten.

Das Diagramm der Figur 6 zeigt weiter, dass sich durch die Verstärkung der Innenelektroden das Spannungsfeld an der Rissspitze durch die beim Kosintern von Elektrode und Keramik eingebrachten Druckspannungen parallel zur Rissrichtung verändert. Der Verlauf der Umfangsspannung für zweifache und insbesondere für dreifache Elektrodendicke zeigt, dass auf ^¬ grund der erhöhten Schichtdicke in dem Abschnitten AI beziehungsweise A2 die Gefahr des Abzweigens von Polungsrissen deutlich reduziert wird.

Die Figuren 7A und 7B zeigen ein Verfahren zur Herstellung der leitfähigen Schichten 10, 20 auf der piezoelektrischen Schicht 30 eines piezoelektrischen Aktorbauelements. Der Ein- fachheit halber ist lediglich eine der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten 30 gezeigt, die mit einer Elektrodenschicht 10 beziehungsweise 20 beschichtet wird.

In Figur 7A erfolgt die Beschichtung der piezoelektrischen Schicht 30 mit der leitfähigen Schicht 10, 20 durch ein Bedrucken der Keramikfolie 30 mit einem leitfähigen Material der Elektrodenschicht, insbesondere durch ein Siebdruckver ^¬ fahren, unter Verwendung einer Schablone Sl. Figur 7B zeigt das Aufbringen von zusätzlichem Material für die Elektrodenschichten 10, 20 in den Abschnitten AI beziehungsweise A2. Das Aufbringen des zusätzlichen Materials erfolgt in einem nachfolgenden Bedruckungsverfahren unter Verwendung einer weiteren Schablone S2. Die derart beschichteten piezoelektrischen Schichten 30 werden anschließend zu der Stapelanordnung 100 übereinander gestapelt und gesintert.

Bezugs zeichenliste

10, 20 Leitfähige Schichten (Elektrodenschichten) 30 Piezoelektrische Schichten

41, 42 Außenmetallisierungen

B0 Aktiver Bereich

Bl Isolationszone

A0 Abschnitt mit einfacher Schichtdicke

AI, A2 Abschnitt mit erhöhter Schichtdicke d Breite der Isolationszone