DE10059785A1

DE10059785A1 - Anordnung von interdigitalen Elektroden

Info

Publication number: DE10059785A1
Application number: DE10059785A
Authority: DE
Inventors: Knut Schmidt; Holger Manz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-13

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung von interdigitalen Elektroden in Verbindung mit piezokeramischen Folien oder Fasern zur Ausbildung eines Aktuators, über den unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes wahlweise mit einem aufgeprägten elektrischen Feld Verformungskräfte auf eine Struktur übertragbar sind oder invers infolge einer Verformung einer Struktur ein elektrisches Feld erzeugbar ist, wobei das elektrische Feld in Verformungsrichtung aufgebracht wird, wobei die Elektroden je nach Bedarf einzeln kontaktiert sind, daß sich innerhalb der Struktur vorgebbare Zug- und Druckbereiche einstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von interdigitalen Elektroden in Verbindung mit piezokeramischen Folien oder Fasern zur Ausbildung eines Aktuators, über den unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes wahlweise mit einem aufgeprägten elektrischen Feld Verformungskräfte auf eine Struktur übertragbar sind oder invers infolge einer Verformung einer Struktur ein elektrisches Feld erzeugbar ist.

Zur Vermeidung von Strukturschwingungen werden häufig aktive Elemente eingesetzt. Dazu bieten sich aus verschiedenen Gründen piezokeramische Materialien an. Solche Materialien sind dadurch charakterisiert, daß sie sich infolge eines aufgeprägten elektrischen Feldes verformen und invers infolge einer Verformung ein elektrisches Feld aufbauen. Ein elektrisches Feld kann mit Hilfe von Elektroden aufgebracht werden. Für die Schwingungserregung oder die Sensierung dünnwandiger Strukturen werden beispielsweise piezokeramische Folien appliziert. Solche Folien besitzen den Nachteil, daß sie aufgrund der Elektrodenanordnung entweder nur eine integrale Zug- oder eine Druckkraft aufbringen können.

Aus der Druckschrift WO 00 2265 ist ein elektromechanischer Wandler bekannt, und zwar mit einer Einbettung von piezoelektrischen Elementen, die in kurzem Abstand kontaktiert sind. Die herausgeführten Kontakte sind jedoch wechselweise parallel geschaltet, so daß sich nach außen nur zwei Kontakte ergeben. Bei der in dieser Druckschrift angesprochenen Anordnung der Elektroden zur Ansteuerung der Piezokeramik kann zwischen zwei Varianten unterschieden werden. In der Regel tritt die Elektrode in flächiger Form auf, um einen möglichst großen Bereich der Piezokeramik durch ein elektrisches Feld abzudecken. Bei dieser Anordnung wird jedoch nicht die Verformung in der Richtung des elektrischen Feldes genutzt, sondern vielmehr die Querkontraktion.

Weiterhin ist aus der Druckschrift EP 0 886 262 A2 ein Verfahren zur Lärmminderung schallführender Medien in Rohrleitungen bekannt, bei welchem der Gegenschall durch ein Segment oder durch mehrere Segmente der Rohrwandung erzeugt wird und die Segmente aus piezoelektrischen Folien bestehen, die zur Gegenschallerzeugung mittels einer Kontrolleinheit angesteuert werden. Es werden mehrere Segmente verwendet, die unterschiedlich angesteuert werden. Bei dieser bekannten Einrichtung ist die Anordnung derart getroffen, daß ein Segment, welches Gegenschall erzeugt, genau einer piezoelektrischen Folie entspricht. Dabei entspricht dieses Segment der kleinsten steuerbaren Einheit. Es können mehrere Foliensegmente mit gleicher oder unterschiedlicher Phase angesteuert werden. Dies bedeutet, daß innerhalb des Segmentes nur eine Phasensteuerung möglich ist. Praktisch werden an einer Struktur dann mehrere Segmente appliziert, die dann in jeweils unterschiedlicher Phase angesteuert werden können. Physikalisch werden also mehrere Elemente appliziert.

Schließlich ist aus der Druckschrift EP 0 186 534 ein linearer piezoelektrischer Drucksensor mit verschiedenen Sektionen bekannt. Der Ort der Belastung des Sensors kann ermittelt werden.

Bei den Folien, die gemäß dem Stand der Technik verwendet werden, besteht der Nachteil, daß sie aufgrund der Elektrodenanordnung entweder nur eine integrale Zug- oder aber eine Druckkraft aufbringen können. Soweit gemäß dem Stand der Technik die Möglichkeit einer Ansteuerung von Zug- und Druckbereichen beschrieben wird, kann dies aber nur dadurch erreicht werden, daß mehrere einzelne Segmente auf ein Bauteil appliziert werden. Somit liegen praktisch und physikalisch gesehen mehrere Bauteile vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs näher genannten Art zu schaffen, mit der zur Vermeidung von Strukturschwingungen unter Einsatz aktiver Elemente bei einer gezielten Ansteuerung und Sensierung von Strukturverformungen eine beliebige partielle Einstellung von Zug- und Druckkräften ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art vor, daß das elektrische Feld in Verformungsrichtung aufgebracht wird, daß die Elektroden je nach Bedarf einzeln derart kontaktiert sind, daß sich innerhalb der Struktur vorgebbare Zug- und Druckbereiche einstellen. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise derart getroffen, daß die Elektroden in einem einzigen Bauteil angeordnet sind.

Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Bauteil auf die Struktur appliziert ist, und gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist weiterhin vorgesehen, daß das Bauteil durch Verklebung auf die Struktur appliziert ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß sowohl mindestens ein Zug- als auch ein Druckbereich in einem einzigen Bauteil vorhanden sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann dadurch herbeigeführt werden, daß mehrere Zug- und/oder Druckbereiche in einem einzigen Bauteil vorhanden sind.

Die Erfindung bedient sich der Erkenntnis, daß die Anwendung interdigitaler Elektroden mit getrennter Ansteuerung wesentliche Vorteile mit sich bringt, insbesondere dann, wenn die Ausstattung sowohl für piezoelektrische Folien als auch piezoelektrische Fasern ermöglicht wird. Es wird nämlich gemäß der Erfindung unter anderen der wesentliche Vorteil erreicht, daß die Elektroden getrennt voneinander anzusteuern sind, um somit innerhalb eines einzigen Folien- oder Faser-Aktuators unterschiedliche Kräfte entlang des Aktuators zu erzeugen.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird somit nur ein einziges Piezoelement verwendet, welches unterschiedlich durch die interdigitalen Elektroden angesteuert werden kann. Es wird gemäß der Erfindung somit nur eine einzige Keramik verwendet.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, eine Mehrphasen-Ansteuerung in einem einzigen Bauteil zu erzielen. Dies geschieht durch die interdigitalen Elektroden, die gemäß der Erfindung in spezieller Weise partiell und individuell angesteuert werden.

Es gehört auch zu dem Gedankengut der Erfindung, die Elektroden nicht abwechselnd zu kontaktieren, sondern je nach Bedarf derart, daß sich innerhalb eines Bauteils Zug- und Druckbereiche einstellen lassen.

Ein erheblicher technischer Fortschritt wird somit - wie gesagt - gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß aufgrund der beliebigen Ansteuerung der einzelnen Elektroden sowohl Zugbereiche als auch Druckbereiche in einem einzigen Bauteil erzeugt werden können. Invers lassen sich sensorisch Zug- und Druckbereiche erfassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur in einer rein schematischen Darstellung eine Anordnung aus einem Keramikmaterial und zugehörigen Elektroden.

Die oben beschriebene Erfindung stellt bei der praktischen Realisierung den Fachmann kaum vor Probleme, so daß sich eine detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an sich erübrigt. Es genügt daher, anhand einer rein schematischen Darstellung den Grundgedanken der Erfindung nochmals anschaulich werden zu lassen.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 13 versehener Aktuator gemäß der Erfindung rein schematisch in einer perspektivischen Darstellung veranschaulicht. Auf einer Piezokeramik 12 sind Elektroden 10 und 11 aufgebracht. Wie die anschauliche Darstellung erkennen läßt, sind die Elektroden 10 oben auf der Piezokeramik 12 und die Elektroden 11 unten an der Piezokeramik 12 angebracht. Die Kontaktierung der Elektroden 10 und 11 ist durch Plus-Zeichen und durch Minus-Zeichen angedeutet. Wie oben bereits erläutert wurde, kann die Kontaktierung gemäß der Erfindung den Erfordernissen in der Weise angepaßt werden, daß zur Erzeugung von erwünschten Druck- und Zugbereichen eine entsprechende individuelle Kontaktierung durchgeführt wird. Durch Pfeile 14 ist in der Zeichnung rein schematisch die Richtung des jeweils erzeugten elektrischen Feldes angegeben.

Es versteht sich, daß in der Zeichnung nur ein beliebiges Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht ist, welches für eine Vielzahl von Varianten oder Abweichungen von der dargestellten Anordnung zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung repräsentativ sein soll.

Es dürfte aus der Prinzip-Darstellung der Zeichnung hervorgehen, daß gemäß der Erfindung ein einziges Piezoelement genügt, welches durch die interdigitalen Elektroden angesteuert werden kann, um gegebenenfalls durch eine Mehrphasen-Ansteuerung eine beliebige partielle Einstellung von Zug- und Druckkräften zu ermöglichen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Elektrode

11

Elektrode

12

Piezokeramik

13

Aktuator

14

elektrisches Feld

Claims

1. Anordnung von interdigitalen Elektroden (10, 11) in Verbindung mit piezokeramischen Folien oder Fasern (12) zur Ausbildung eines Aktuators (13), über den unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes wahlweise mit einem aufgeprägten elektrischen Feld (14) Verformungskräfte auf eine Struktur übertragbar sind oder invers infolge einer Verformung einer Struktur ein elektrisches Feld (14) erzeugbar ist, wobei das elektrische Feld (14) in Verformungsrichtung aufgebracht wird, wobei die Elektroden (10, 11) je nach Bedarf einzeln kontaktiert sind, daß sich innerhalb der Struktur vorgebbare Zug- und Druckbereiche einstellen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 11) in einem einzigen Bauteil angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil auf die Struktur appliziert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil auf die Struktur durch Verklebung appliziert ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl mindestens ein Zug- als auch ein Druckbereich in einem einzigen Bauteil vorhanden sind.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zug- und/oder Druckbereiche in einem einzigen Bauteil vorhanden sind.