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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, vorzugsweise in monolithischer
Vielschicht-Bauweise, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Obwohl
auf beliebige Piezoaktoren anwendbar, werden die vorliegende Erfindung
sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf einen in monolithischer
Vielschicht-Bauweise
ausgestalteten Piezoaktor näher
erläutert.
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Ein
derartiger Piezoaktor besteht im Allgemeinen aus mehreren Piezo-Keramikplatten.
Eine Piezokeramik ist ein Material, das sich aufgrund des Piezo-elektrischen
Effektes beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Solche
Piezo-keramiken bilden
die Basis für
die Piezoaktoren, die beim Anlegen einer Spannung einen Verfahrweg
von einigen Mikrometern realisieren. Die Piezokeramik weist elektrische
Dipolmomente auf, die jeweils innerhalb von Weiss'schen Bezirken, die
gegeneinander abgegrenzt sind, eine Vorzugsrichtung aufweisen. In
einem unpolarisierten Grundzustand der Piezokeramik sind die Vorzugsrichtungen
der einzelnen Weiss'schen
Bezirke ungeordnet, so dass nach außen hin keine makroskopische
elektrische Polarisierung der Piezokeramik vorliegt.
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Um
den Piezo-elektrischen Effekt für
Piezoaktoren nutzbar zu machen, muss die Piezokeramik durch das
Ausrichten der elektrischen Dipolmomente polarisiert werden, wonach
die elektrischen Dipolmomente in allen Weiss'schen Bezirken nicht oder nur wenig
von einer durch die Polarisationsachse vorgegebenen Vorzugsrichtung
abweichen. Die Piezokeramiken werden beispielsweise als Grundkörper von Piezoaktoren
eingesetzt, welche unter anderem Verwendung im Kraftfahrzeugbereich,
beispielsweise in Common-Rail-Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen als elektromagnetische
Wandler, finden.
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Die
einzelnen oben beschriebenen Piezokeramiken sind beiderseits mit
metallischen Elektroden versehen. Wird an diese Elektroden eine
Spannung angelegt, so reagiert die Piezokeramik mit einer Gitterverzerrung,
die entlang der Hauptachse zu der oben bereits erläuterten
nutzbaren Längenausdehnung
führt.
Da diese allerdings weniger als 2 Promille der Schichtdicke entlang
der Hauptachse beträgt, muss
zur Erzielung einer gewünschten
absoluten Längenausdehnung
eine entsprechend höhere Schichtdicke
aktiver Piezokeramik bereitgestellt werden. Mit zunehmender Schichtdicke
der einzelnen Piezokeramik-Schichten innerhalb eines Piezoaktors steigt
jedoch auch die zum Ansprechen des Piezoaktors erforderliche Spannung.
Um diese in handhabbaren Grenzen zu halten, liegen die Dicken von
Piezo-einzelnen Schichten bei Vielschicht-Aktoren üblicherweise zwischen 20 und
200 μm.
Ein Piezoaktor muss daher beispielsweise für eine gewünschte Längenausdehnung eine entsprechende
Anzahl an Einzelelementen bzw. – schichten
aufweisen.
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Es
ist der Anmelderin bekannt, zur Herstellung von Piezoaktoren beispielsweise
Piezokeramik-Grünfolien
alternierend mit Elektrodenmaterial in einem Stapel anzuordnen und
gemeinsam zu sintern. Dadurch entsteht ein ausreichend fester Verbund
der Einzelschichten in dem Piezoaktor. Die in dem Vielschicht-Aktor
integrierten Arbeitselektroden werden für eine wechselseitige elektrische
Kontaktierung alternierend an die Oberfläche beispielsweise der sich
gegenüberliegenden
Seiten des Aktors geführt
und dort jeweils durch eine Außenelektrode elektrisch
parallel geschaltet. Zur elektrischen Isolierung bestehen die Endbereiche,
d.h. der Kopfbereich und der Fußbereich,
aus Piezo-elektrisch inaktiven bzw. elektrodenfreien Lagen aus Piezokeramik.
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Bei
einem Piezoaktor kommt es aufgrund unterschiedlichem Verhalten des
aktiven Bereiches und des inaktiven Endbereiches zu unerwünschten
mechanischen Spannungen zwischen den selben. Dies ist durch mehrere
Umstände
bedingt. Durch die Anordnung der metallischen Arbeitselektroden
und der Lagen des piezokeramischen Werkstoffs wird einerseits die
Materialschwindung des piezokeramischen Werkstoffs, insbesondere
im passiven Kopf- und Fußbereich,
während
des Sinterprozesses beeinflusst. Schwindungsdifferenzen zwischen
elektrodennahen und elektrodenfernen Bereichen führen zu unerwünschten,
nicht definierten und unkontrollierbaren mechanischen Spannungen
im keramischen Werkstoff, die entweder schon während des Sinterprozesses zu
unerwünschten
Längsrissen
führen
oder im fertigen Bauteil festigkeitsmindern wirken.
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Ferner
erfährt
bei einem piezo-elektrischen Betrieb der aktive Bereich des Piezoaktors
in der Ebene der Arbeitselektroden eine Längenänderung, d.h. er zieht sich
beispielsweise in der Ebene der Elektroden zusammen, wohingegen
der inaktive Kopfbereich und der inaktive Fußbereich keinerlei Abmessungsänderungen
erfahren. Des Weiteren erfahren der aktive Bereich und die inaktiven
Endbereiche aufgrund unterschiedlicher thermischer Verhältnisse
unterschiedliche Ausdehnungen. Im aktiven Bereich herrscht aufgrund
des Hystereseverhaltens des Piezomaterials im Ansteuerbetrieb eine
gegenüber
dem inaktiven Endbereich erhöhte
Temperatur vor, welche zu unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungen
dieser Bereiche führt.
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Diese
Tatsachen führen
ebenfalls zu unerwünschten,
nicht definierten und unkontrollierbaren mechanischen Spannungen,
welche zu unerwünschten
Rissen führen
können,
welche senkrecht zu der Ebene der Elektroden und durch den Piezoaktor
hindurch verlaufen können.
Derartige Risse können senkrecht
in den aktiven Bereich als so genannte Längsrisse hineinwachsen. Dabei
werden die Arbeitselektroden durchtrennt und Spalten zwischen den Arbeitselektroden
unterschiedlichen Potentials geschaffen. An diesen Stellen kann
es zu elektrischen Überschlägen kommen,
welche im Weiteren in einem Ausfall des Piezoaktors resultieren.
Somit führen
unterschied liche Dehnungsverhalten des aktiven und des passiven
Bereiches während
des Betriebes insbesondere an der Grenze zwischen beiden Bereichen
zu mechanischen Spannungen, die die Bildung von nicht definierten,
unerwünschten
Längsrissen begünstigen.
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Um
derartige Rissbildungen aufgrund auftretender mechanischer Spannungen
zu vermeiden, können
beispielsweise die Betriebsgrenzen beim piezo-elektrischen Betrieb
des Piezoaktors derart gewählt
werden, dass die entstehenden mechanischen Spannungen zu gering
für die
Bildung von Längsrissen
sind.
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An
diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass für
sehr viele Anwendungen ein großer
Verstellweg des Piezoaktors erwünscht
ist, so dass dieser meist in seinen Betriebsgrenzen angesteuert
werden muss.
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Ferner
existieren verschiedene Lösungen, die
mechanischen Spannungen in dem Übergangsbereich
zwischen dem piezo-elektrisch
aktiven Bereich und dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereichen
zu verringern. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 02 574 A1 ist es
bekannt, zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Kopfbereich
bzw. Fußbereich
einen zusätzlichen Übergangsbereich
zu integrieren, dessen Schwindung während der Herstellung und dessen
Bedienungsverhalten während
des Betriebes zwischen der Schwindung bzw. dem Dehnungsverhalten
des aktiven und der Schwindung bzw. dem Dehnungsverhalten der inaktiven
Bereiche liegt.
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An
diesen Ansatz gemäß dem Stand
der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass eine Herstellung eines derartigen zusätzlichen Übergangsbereiches aufwändig und
mit zusätzlichen
Herstellungskosten verbunden ist.
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Die
Druckschrift
DE 102
15 992 A1 beschreibt einen Piezoaktor, dessen inaktive
Bereiche jeweils eine nicht ansteuerbare Blindelektrodenschicht
aufweisen. Die zusätzlichen
Elektrodenschichten in piezo-elektrisch inaktiven Bereichen sollen
für ein
gleiches Schwindungsverhalten wie bei dem piezoelektrisch aktiven
Bereich sorgen.
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An
diesem Ansatz gemäß dem Stand
der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass die zusätzlichen
Blindelektrodenschichten lediglich mittels eines zusätzlichen Herstellungsschrittes
vorgesehen werden können, und
dass mechanische Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Dehnungsverhalten
der beiden Bereiche beim piezoelektrischen Betrieb nicht verringert
werden können.
Somit besteht bei diesem Ansatz nach wie vor die Möglichkeit
einer Bildung von nicht erwünschten
Längsrissen
aufgrund auftretender, undefinierter mechanischer Spannungen zwischen
den aktiven und den inaktiven Bereichen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor
und ein Herstellungsverfahren für
denselben anzugeben, bei welchem längsrissbildende, unerwünschte mechanische Spannungen
zwischen dem piezo-elektrisch aktiven und den piezo-elektrisch inaktiven
Bereichen verringert sind.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und durch den Piezoaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs
11 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
dass der Piezoaktor mit einem piezo-elektrisch aktiven Bereich und
mit einem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich ausgebildet wird,
wobei der piezo-elektrisch inaktive Endbereich mit einer zugeordneten
Endfläche
des piezo-elektrisch aktiven Bereiches unter Bildung eines Übergangsbereiches
zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem piezo-elektrisch
inaktiven Bereich koppelbar ist, wobei wenigstens ein definierter Entlastungstrennbereich
in dem Übergangsbereich zum
Verhindern von nicht definierten mechanischen Spannungen in demselben
gebildet wird.
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Somit
weist die vorliegende Erfindung gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den
Vorteil auf, dass ein definierter bzw. gezielt eingebrachter Entlastungstrennbereich
eine Trennfläche
zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und dem daran angrenzenden
piezo-elektrisch inaktiven Endbereich, d.h. Fuß- und/oder Kopfbereich liefert.
Diese Trennfläche
verhindert eine Übertragung
von unterschiedlichen Dehnungen der einzelnen Bereiche beim Betrieb
des Piezoaktors, so dass mechanische Spannungen in dem Übergangsbereich
nicht entstehen können.
Dadurch können auch
keine unerwünschten
Längsrisse
induziert werden. Durch gezieltes Einbringen mindestens eines Entlastungstrennbereiches
ist folglich auf einfache und kostengünstige Weise eine Verhinderung
von mechanischen Spannungen zwischen dem aktiven Bereich und den
inaktiven Endbereichen in dem Piezoaktor und somit eine Verhinderung
einer unkontrollierten Rissbildung gewährleistet.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der weiteren Unteransprüche
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird der mindestens eine Entlastungstrennbereich durch
Vorsehen einer örtlich
definierten Materialschwächung
in dem Übergangsbereich
gebildet. Durch eine derartige gezielte Materialschwächung kommt
es zu vorbestimmten mechanischen Spannungen, welche beim Polarisieren
und beim elektrischen Betrieb des Piezoaktors zur Ausbildung eines definierten
Entlastungstrennbereiches führen.
Beispielsweise kann die örtlich
definierte Materialschwächung
dadurch bewerkstelligt werden, dass der piezo-elektrisch aktive
Bereich und der piezo-elektrisch in aktive Endbereich mit sich unterscheidenden Schwindungscharakteristiken
ausgebildet werden. Somit wird beispielsweise bei einem Sinterungsprozess
aufgrund des unterschiedlichen Materialschwindungsverhaltens eine
definierte Materialschwächung in
dem Übergangsbereich
geschaffen, welche zu dem vorgenannten definierten Entlastungstrennbereich
führt.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden in dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich interdigitale
Elektroden derart vorgesehen, dass der piezo-elektrisch inaktive
Endbereich eine elektrische Polarisation erfährt, welche in etwa quer oder
zumindest geneigt zu der elektrischen Polarisation des zugeordneten
piezo-elektrisch aktiven Bereiches ausgerichtet ist. Dadurch wird
ein maximaler Dehnungsunterschied zwischen dem inaktiven Endbereich
und dem aktiven Bereich gezielt geschaffen, so das mindestens ein
vorbestimmter Entlastungstrennbereich in dem Übergangsbereich gezielt eingebracht
wird. Die interdigitalen Elektroden werden vorzugsweise mit den
Arbeitselektroden des piezoelektrisch aktiven Bereiches parallel
geschaltet, wobei die interdigitalen Elektroden mit mindestens einem
Trennabschnitt ausgebildet werden. Dieser Trennabschnitt dient dazu,
die interdigitalen Elektroden nach einer Polarisierung des inaktiven
Bereiches von den Arbeitselektroden auf einfache und kostengünstige Weise
elektrisch zu trennen. Dabei kann der mindestens eine Trennabschnitt
beispielsweise als Materialschwächung,
vorzugsweise in der Nähe
der elektrischen Außenkontaktierung,
derart ausgebildet werden, dass der Trennungsabschnitt bei einem
Betrieb des Piezoaktors mit vorbestimmter Umladungsfrequenz und
vorbestimmten Lade/Endladeströmen durchbrennt.
Alternativ oder zusätzlich
kann der mindestens eine Trennabschnitt auch mechanisch, mittels
eines Lasers oder auf andere Art und Weise durchtrennt werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden der piezo-elektrisch
aktive Bereich und der piezo-elektrisch in aktive Endbereich mit
sich derart unterscheidenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten
ausgebildet, dass der sich bei einer vorbestimmten Temperatur einstellende
Ausdehnungsunterschied definierte mechanische Spannungen zum Bilden
des mindestens einen Entlastungstrennbereiches erzeugt. Alternativ
oder Zusätzlich
können
die beiden Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen beaufschlagt
werden, sodass sich unterschiedliche thermische Ausdehnungen ergeben.
Dadurch kann durch einfache Materialauswahl oder geeignete Temperierungen
des inaktiven Endbereiches und des aktiven Bereiches für eine gezielte
Einbringung eines definierten Entlastungstrennbereiches gesorgt
werden.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der mindestens eine definiert gebildete Entlastungstrennbereich
als im vorgespannten Zustand des Piezoaktors erzeugte Entlastungstrennfläche ausgebildet,
die sich über
den gesamten Übergangsbereich
in in etwa Querrichtung des Piezoaktors erstreckt.
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Vorteilhaft
wird der Piezoaktor in monolithischer Vielschicht-Bauweise hergestellt.
Der Piezoaktor weist vorzugsweise an seinen beiden stirnseitigen Endflächen jeweils
einen piezo-elektrisch inaktiven Endbereich auf, wobei in jedem Übergangsbereich zwischen
dem aktiven Bereich und dem zugeordneten inaktiven Endbereich eine
durchgehende Entlastungstrennfläche
eingebracht wird. Dadurch ist an beiden Übergangsbereichen des Piezoaktors
dafür gesorgt,
dass keine unerwünschten
und unkontrollierten mechanischen Spannungen zu unerwünschten
Längsrissen
oder dergleichen führen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen
dabei:
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1 eine
Vorderansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise aufgebauten
Piezoaktors im mecha nisch vorgespannten Zustand gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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1A eine
Vorderansicht des Piezoaktors aus 1 im angesteuerten
Zustand;
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2 eine
Teilansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise aufgebauten
Piezoaktors mit vorgesehener Materialschwächung vor einem Betrieb gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Teilansicht des Piezoaktors aus 2 mit eingebrachtem Entlastungstrennbereich
nach einem Betrieb gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Vorderansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise hergestellten
Piezoaktors mit in dem inaktiven Endbereich integrierten Digitalelektroden
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine
perspektivische Ansicht von piezoelektrischen Keramikplatten des
inaktiven Endbereiches mit integrierten Interdigital-Elektroden
gemäß eines
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche
oder funktionsgleiche Komponenten, sofern nichts Gegenteiliges angegeben
ist.
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1 illustriert
eine Vorderansicht eines so genannten Piezo-Stacks 1, d.h.
eines Piezoaktors 1, der in monolithischer Vielschicht-Bauweise
hergestellt und mechanisch mit tels einer geeigneten Vorspanneinrichtung
für einen
elektrischen Betrieb vorgespannt ist.
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Der
Piezoaktor 1 besteht gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einem piezo-elektrisch aktiven Bereich 2 und den aktiven
Bereich 2 jeweils an den Stirnseiten abschließenden Endbereichen 3,
d.h. einem oberen Kopfbereich und einem unteren Fußbereich.
Der piezo-elektrisch aktive Bereich 2 besteht aus mehreren
piezoelektrischen Keramikschichten, welche jeweils durch Arbeitselektroden 4 voneinander
getrennt sind. Die positiven und negativen Pole der Arbeitselektroden 4 wechseln sich
ebenso ab wie die Polarisationsrichtung aufeinander folgender Keramikschichten,
um bei einer elektrischen Parallelschaltung der einzelnen zugeordneten
Elektroden eine mechanische Reihenschaltung, also eine Addition
der Einzelhübe
der einzelnen piezoelektrischen Schichten zu erhalten.
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Erfindungsgemäß wird zur
Verringerung bzw. Verhinderung der in der Beschreibungseinleitung
ausführlich
erörterten
unerwünschten
mechanischen Spannungen in dem Übergangsbereich
zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem zugeordneten inaktiven
Bereich 3 gezielt eine Entlastungstrennfläche zwischen
den beiden Bereichen 2 und 3 für eine vollflächige Trennung
derselben eingebracht. Die Entlastungstrennfläche kann auf verschiedene Weisen
bewerkstelligt werden.
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1A zeigt
eine Vorderansicht des Piezoaktors aus 1 im angesteuerten
Zustand, wobei die Änderung
der Außenkontur
zur besseren Veranschaulichung stark überhöht dargestellt worden ist. Es
zeigt sich, dass der Bereich 2 sich nach der Ansteuerung
verjüngt
hat, während
der Bereich 3 (nahezu) unverändert bleibt. Im Übergangsbereich 10 zwischen
dem Bereich 2 und dem Bereich 3 kommt es zu einer
Deformation des Materials des Stacks.
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Anhand
der 2 und 3 wird im Folgenden ein erstes
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
Gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird eine Entlastungstrennfläche 5 dadurch
gezielt in den Übergangsbereich
eingebracht, dass zunächst
vorzugsweise vor einem Betrieb des Piezoaktors 1 eine Materialschwächung 6 in
dem Übergangsbereich
zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Bereich 3 gebildet wird.
Eine derartige lokale und vordefinierte Materialschwächung 6 wird
beispielsweise dadurch bewerkstelligt, dass der aktive Bereich 2 und
der angrenzende inaktive Endbereich 3 mit unterschiedlichen
Materialschwindungseigenschaften bei der Sinterung, beispielsweise
aus piezo-elektrischen Materialien mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungen
der Ausgangspulver, ausgebildet werden. Durch Vorsehen bestimmter
Schwindungscharakteristika der beiden Bereiche 2 und 3 erfährt beispielsweise
der aktive Bereich 2 bei einem Sinterprozess eine größere Materialschwindung
als der inaktive Endbereich 3, wie in 2 schematisch
dargestellt ist. Ein derartiger Unterschied der einzelnen Materialschwindungen
der beiden Bereiche 2 und 3 verursacht definierte
mechanische Spannungen in dem Übergangsbereich zwischen
den beiden Bereichen 2 und 3, wobei die mechanischen
Spannungen von dem vorab eingestellten Schwindungseigenschaften
der beiden Bereiche 2 und 3 abhängen.
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Diese
gezielt eingeleiteten mechanischen Spannungen mit vorbestimmter
Größe bewirken
bei einer Polarisation und/oder bei einem elektrischen Betrieb des
vorzugsweise mechanisch vorgespannten Piezoaktors 1 eine
Entlastungstrennfläche 5 in dem Übergangsbereich
zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3.
Dies ist in 3 schematisch dargestellt.
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Somit
werden Dehnungsunterschiede zwischen diesen beiden Bereichen 2 und 3 bei
einem elektrischen Betrieb des Piezoaktors 1 nicht übertragen,
d.h. es können
keine mechanischen, nicht definierten Spannungen zwischen diesen
Bereichen und somit keine unerwünschten
Längsrisse
auftreten.
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Im
Folgenden wird unter Berücksichtigung der 4 und 5 ein
zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel werden
zum gezielten Einbringen einer Entlastungstrennfläche 5 in
dem Übergangsbereich
zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 interdigitale
Elektroden 7 in den Endbereich 3 integriert.
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Dabei
können,
wie in 5 schematisch dargestellt ist, die einzelnen Interdigital-Elektroden 7 zunächst in
eine zugeordnete piezo-elektrische Keramikplatte bzw. Grünfolie,
beispielsweise mittels Bedrucken und Einlaminieren, integriert und
diese Platten direkt oder mittels Zwischenplatten miteinander, beispielsweise
mittels eines Sinterverfahrens, gekoppelt werden. Die interdigitalen
Elektroden 7 sind in dem inaktiven Endbereich 3 vorzugsweise
versetzt zueinander und in zu der Polarisationsrichtung des aktiven
Bereiches 2 quer verlaufender Richtung derart angeordnet,
dass sich das zwischen den Interdigital-Elektroden 7 ausbildende
elektrische Feld E bzw. die elektrische Polarisation P des inaktiven
Endbereiches 3 senkrecht oder zumindest geneigt zu der
Polarisation P des aktiven Bereiches 2 verläuft, wie
in 4 durch die Pfeile graphisch dargestellt ist.
Somit stellt sich bei einer elektrischen Ansteuerung sowohl der
Arbeitselektroden 4 als auch der Interdigital-Elektroden 7 ein
maximaler Dehnungsunterschied zwischen den beiden Bereichen 2 und 3 gezielt
ein. Dieser maximale Dehnungsunterschied zwischen den Bereichen 2 und 3 führt demnach
bei einem Betrieb des vorgespannten Piezoaktors 1 zu einer
gewünschten,
vorzugsweise ganzflächigen
Entlastungstrennfläche 5,
welche analog zum ersten Ausführungsbeispiel
nicht kontrollierbare mechanische Spannungen zwischen den beiden
Bereichen 2 und 3 und somit unerwünschte Rissbildungen
in Längsrichtung
des Piezoaktors 1 verhindert.
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Vorteilhaft
sind die Interdigital-Elektroden 7 des inaktiven Bereiches 3 mit
den entsprechend zugeordneten Arbeitselektroden 4 des aktiven
Bereiches 2 elektrisch parallel geschaltet, wie in 4 und 5 schematisch
illustriert ist. Dadurch kann vor Inbetriebnahme des Piezoaktors 1 gezielt
eine Entlastungstrennfläche 5 durch
elektrische Ansteuerung der Arbeitselektroden 4 und der
Interdigital-Elektroden 7 in den Übergangsbereich zwischen dem
aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Bereich 3 eingebracht
werden.
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Da
im normalen Betrieb des Piezoaktors 1 eine elektrische
Ansteuerung der Interdigital-Elektroden 7 unerwünscht ist,
müssen
die Interdigital-Elektroden 7 nach Ausbildung der Entlastungstrennfläche 5 elektrisch
von den Arbeitselektroden 4 getrennt werden. Beispielsweise
können
die Interdigital-Elektroden 7 im Bereich der Außenkontaktierung
stark eingeschnürt
bzw. verdünnt
ausgebildet werden, so dass in diesem Bereich beim ersten Betrieb
des Piezoaktors 1 mit einer hohen Umladungsfrequenz und entsprechend
hohen Lade/Endladeströmen
die verdünnten
Bereiche der Interdigital-Elektroden 7 gezielt durchbrennen
und damit im weiteren Betrieb des Piezoaktors 1 nicht mehr
ansteuerbar sind. Alternativ können
die Interdigital-Elektroden 7 auch mechanisch, mittels
eines Lasers oder auf andere Weise manuell durchtrennt werden.
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Gemäß einem
dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die Entlastungstrennfläche
gezielt dadurch in den Übergangsbereich
zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 eingebracht
werden, dass die thermische Ausdehnung in dem Übergangsbereich einen großen Gradienten
aufweist.
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Dazu
wird beispielsweise das Material des inaktiven Endbereiches 3 mit
einem sich von dem Material des aktiven Bereiches 2 unterscheidenden thermischen
Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Dadurch
kommt es bei einer vorbestimmten Tempe ratur zu unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungen der beiden Bereiche 2 und 3 derart,
dass in dem Übergangsbereich
gezielt vorbestimmte mechanische Spannungen erzeugt werden, die
bei einer Polarisation und/oder einer elektrischen Ansteuerung des
Piezoaktors im vorgespannten Zustand zu der gewünschten Entlastungstrennfläche führen.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann gezielt eine mechanische Spannung in dem Übergangsbereich auch dadurch
bewerkstelligt werden, dass der aktive Bereich und der inaktiven
Endbereich mit unterschiedlichen, vorbestimmten Temperaturen beaufschlagt
werden, so dass diese Bereiche eine unterschiedliche thermische
Ausdehnung erfahren. Beispielsweise werden die in den Figuren dargestellten Einspanneinrichtungen
auf geeignete Temperaturen gebracht, sodass die inaktiven Endbereiche
gegenüber
den aktiven Bereichen einen zum Generieren der notwendigen mechanischen
Spannungen ausreichenden Temperaturunterschied aufweisen. Andere Temperatureinstellverfahren
sind selbstverständlich ebenfalls
denkbar.
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Es
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig
miteinander kombiniert werden können,
um in dem Übergangsbereich
gezielt eine Trennfläche zwischen
dem aktiven Bereich und dem inaktiven Endbereich zu erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass unerwünschte und
unkontrollierbare Risse in Längsrichtung
des Piezoaktors durch gezieltes Einbringen einer Entlastungstrennfläche verhindert werden.
Dadurch kann die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Piezoaktors im
Betrieb erhöht
werden. Ferner ist das Einbringen eines definierten Entlastungstrennbereiches
durch fertigungstechnisch einfache Maßnahmen bewerkstelligbar. Beispielsweise
muss lediglich ein modifiziertes Material für den Endbereich ausgewählt, die
Bedruckung einzelner Keramikplatten bzw. -folien geändert oder
an bestimmten Bereichen vorbestimmte Temperaturen erzeugt werden.