DE102005024192A1

DE102005024192A1 - Piezoelektrischer Biegewandler mit Sensorelement zum Erfassen einer Auslenkung des Biegewandlers, Verfahren zum Erfassen der Auslenkung des Biegewandlers und Verwendung der erfassten Auslenkung

Info

Publication number: DE102005024192A1
Application number: DE102005024192A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. Steinkopff; Andreas Wolff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-11-30
Also published as: WO2006125694A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Biegewandler (1), aufweisend mindestens ein monolithisches Piezoelement (10, 11) mit einer Elektrodenschicht (101, 111), mindestens einer weiteren Elektrodenschicht (102, 103, 112, 113), und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten Piezokeramikschicht (104, 105, 114, 115) und mindestens ein Sensorelement (20) mit einer Sensorelektrode (21) zum Erfassen einer Auslenkung des Biegewandlers. Der Biegewandler ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode des Sensorelements eine der Elektrodenschichten des Piezoelements aufweist. Daneben wird ein Verfahren zum Erfassen der Auslenkung des Biegewandlers angegeben, wobei durch die Auslenkung des Biegewandlers ein Elektrodenpotential der Sensorelektrode des Sensorelements entsteht, das abgegriffen wird und aus dem die Auslenkung bestimmt wird. Änderungen des Auslenkungszustands, die im Sekunden-, Minuten- oder Stundenbereich stattfinden, können sehr gut erfasst werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die erfasste Auslenkung als Eingangsgröße für einen Regelkreis zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Biegewandlers verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Biegewandler, aufweisend mindestens ein monolithisches Piezoelement mit einer Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten Piezokeramikschicht und mindestens ein Sensorelement mit einer Sensorelektrode zum Erfassen einer Auslenkung des Biegewandlers. Daneben werden ein Verfahren zum Erfassen der Auslenkung des Biegewandlers und eine Verwendung der erfassten Auslenkung des Biegewandlers angegeben.

Ein piezoelektrischer Biegewandler weist üblicherweise ein Piezoelement mit einer Elektrodenschicht, einer weiteren Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht auf. Die Schichten sind dabei derart angeordnet, dass durch eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschicht ein elektrisches Feld in die piezoelektrische Schicht eingekoppelt wird. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zu einer Auslenkung der piezoelektrischen Schicht und damit zur Auslenkung des Biegewandlers. Umgekehrt führt die Auslenkung des Piezoelements zu einer elektrischen Ladung an den Elektrodenschichten, die abgegriffen werden kann.

Die piezoelektrische Schicht besteht beispielsweise aus einem polykristallinen, piezoelektrisch aktiven keramischen Material. Die piezoelektrische Schicht ist eine Piezokeramikschicht. Ein Piezoelement mit einer Piezokeramikschicht ist vorzugsweise monolithisch ausgeführt. Dies bedeutet, dass im Herstellungsprozess des Piezoelements ein schichtförmiger Grünkörper mit der Piezokeramik und dem Elektrodenmaterial hergestellt wird. Der Schichtkörper wird gesintert, wobei das Piezoelement entsteht. Durch das gemeinsame Sintern der Elektrodenschichten und der Piezokeramikschicht (Cofiring) entsteht das monolithische (einstückige) Piezoelement.

Es gibt verschiedene Ansätze, um die Auslenkung bzw. den Auslenkungszustand eines Piezoelements bzw. eines Biegewandlers zu erfassen. Beispielsweise werden dazu so genannte Dehnungsmessstreifen auf den Biegewandler aufgeklebt. Ein Dehnungsmessstreifen fungiert als externes Sensorelement zum Erfassen der Auslenkung des Biegewandlers.

Diese Lösung zeichnet sich durch einen hohen Fertigungsaufwand aus. Zudem ist eine aufwändige Auswerteelektronik für ein auswertbares Sensorsignal des externen Sensorelements notwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, aufzuzeigen, wie die Auslenkung eines Biegewandlers auf eine im Vergleich zum Stand der Technik einfachere Weise erfasst werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrischer Biegewandler angegeben, aufweisend mindestens ein monolithisches Piezoelement mit einer Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht, und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten Piezokeramikschicht und mindestens ein Sensorelement mit einer Sensorelektrode zum Erfassen einer Auslenkung des Biegewandlers. Der Biegewandler ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode des Sensorelements eine der Elektrodenschichten des Piezoelements aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Erfassen der Auslenkung des Biegewandlers angegeben, wobei durch die Auslenkung des Biegewandlers ein Elektrodenpotential der Sensorelektrode des Sensorelements entsteht, das abgegriffen wird und aus dem die Auslenkung bestimmt wird. Änderungen des Auslenkungszustands, die im Sekunden-, Minuten- oder Stundenbereich stattfinden, können sehr gut erfasst werden. In jedem Fall ist eine Auswerteelektronik zur Bestimmung des Elektrodenpotentials auf die Geschwindigkeit der Auslenkung abgestimmt. Vorzugsweise wird dazu die Elektrodenschicht, die als Sensorelektrode verwendet wird, im Betrieb des Biegewandlers nicht auf Spannung geschaltet. An der Sensorelektrode kann ein piezoelektrisches Signal (Sensorsignal), das in den anliegenden Piezokeramikschichten entsprechend ihrem Auslenkungszustand erzeugt wird, abgegriffen werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die erfasste Auslenkung als Eingangsgröße für einen Regelkreis zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Biegewandlers verwendet.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, die Sensorelektrode des Sensorelements in ein monolithisches Piezoelement zu integrieren. Der Biegewandler weist eine integrierte Sensorfunktion auf. Dies bedeutet, dass kein externes Sensorelement bzw. keine externe Sensorelektrode des Sensorelements notwendig ist. Zur Integration der Sensorfunktion wird auf bekannte Verfahren der keramischen Mehrschichttechnologie zurückgegriffen. Die keramische Mehrschichttechnologie beinhaltet beispielsweise eine Kombination der Grünfolien- und Siebdrucktechnik. Durch die Verwendung vorhandener Bestandteile des Piezoelements resultiert ein vereinfachter Aufbau des Biegewandlers. Darüber hinaus vereinfacht sich das Herstellverfahren des Biegewandlers mit Sensorelement. Das Sensorelement muss nicht nachträglich auf den Biegewandler aufgebracht werden. Zusätzliche Fertigungsschritte entfallen.

Wie eingangs beschrieben, führt die Auslenkung des Biegewandlers und damit die Auslenkung des Piezoelements zu einem erfassbaren elektrischen Signal an der Sensorelektrode. Dieses elektrische Signal ist mit der Größe und der Richtung der Auslenkung korreliert. Durch die Auslenkung ändert sich ein Auslenkungszustand des Biegewandlers. Die Änderung des Auslenkungszustands wird erfasst.

Die Ursache der Änderung des Auslenkungszustands kann dabei vielfältig sein. Beispielsweise beruht die Änderung des Auslenkungszustands auf einem Einwirken einer äußeren Kraft auf das Piezoelement. Denkbar ist ebenso, dass die Auslenkung auf einer Änderung der Polarisierung des Piezokeramik der Piezokeramikschicht beruht. Die Änderung der Polarisierung (Umpolarisierung) kann ihre Ursache in einer Alterung der Piezokeramik haben. Auch eine Änderung einer Temperatur kann zu einer Änderung der Polarisierung führen. Ebenso kann die Änderung durch Einkoppeln eines dafür geeigneten elektrischen Feldes in die Piezokeramikschicht hervorgerufen werden.

Durch die Erfindung ist es möglich, die Änderung des Auslenkungszustands und damit einen Istwert des Auslenkungszustands des Biegewandlers ohne ein externes Sensorelement zu erfassen. Dieser Istwert kann beispielsweise dazu verwendet werden, einen Alterungsprozess der Piezokeramik des Piezoelements zu dokumentierten. Aufgrund des dokumentierten Alterungsprozess kann ein standardisiertes Wartungs- oder Austauschintervall des Biegewandlers festgelegt werden.

Durch einen Vergleich des Istwerts des Auslenkungszustandes mit einem Sollwert des Auslenkungszustands kann insbesondere auf eine Funktionsfähigkeit des Biegewandlers geschlossen werden. Befindet sich der Istwert in einem vorgegebenen Sollwertbereich, ist die Funktionsfähigkeit des Biegewandlers gewährleistet. Befindet sich der Istwert dagegen außerhalb des Sollwertbereichs, ist die Funktionsfähigkeit des Biegewandlers nicht mehr gegeben. Aufgrund der fehlenden Funktionsfähigkeit ist der Biegewandler auszutauschen. Der Biegewandler wird nicht nach Ablauf eines standardisierten Austauschintervalls, sondern im Bedarfsfall ausgetauscht.

Denkbar ist aber insbesondere, dass aufgrund des erfassten Istwerts des Auslenkungszustands der Änderung des Auslenkungszustands gegengesteuert wird. Durch Einstellen einer oder mehrerer Steuergrößen wird der Auslenkungszustand des Biegewandlers gezielt beeinflusst. Die Steuergröße ist beispielsweise ein elektrisches Feld, das in die Piezokeramik eingekoppelt wird. Durch Einkoppeln eines geeigneten elektrischen Feldes in die Piezokeramik kann beispielsweise dafür gesorgt werden, dass der Istzustand des Auslenkungszustands einen Wert aus dem Sollbereich einnimmt. Die Auslenkung bzw. der Auslenkungszustand des Biegewandlers wird geregelt. Es ist ein Regelkreis vorhanden zum Einstellen des Auslenkungszustands des Biegewandlers.

Denkbar ist auch, dass mit Hilfe des Sensorelements ein Erreichen einer vorbestimmten Auslenkung erkannt wird. Die vorbestimmte Auslenkung ist beispielsweise über einen definierten Zielzustand des Auslenkungszustands bestimmt. Der Zielzustand ist beispielsweise durch einen äußeren, mechanischen Widerstand festgelegt. Sobald der Biegewandler aufgrund seiner Auslenkung an den äußeren mechanischen Widerstand stößt, wird ein elektrisches Potential an der Sensorelektrode erfasst. Das erfasste elektrische Signal gibt an, dass der vorab definierte Zielzustand erreicht ist. Durch das Erreichen des Zielstands können beliebige Folgeaktionen initiiert werden.

Der piezoelektrische Biegewandler kann ein einziges monolithisches Piezoelement aufweisen. Dieses einzige monolithische Piezoelement kann dabei lediglich aus zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten Piezokeramikschicht bestehen. Denkbar ist auch, dass das monolithische Piezoelement einen Piezoelementschichtaufbau mit mehreren Elektrodenschichten und mehreren dazwischen angeordneten Piezokeramikschichten aufweist. Die Piezokeramikschichten können dabei unterschiedliche piezokeramische Materialien und/oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Die Elektrodenschichten sind vorzugsweise unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar. Dies bedeutet, dass in die Piezokeramikschichten unterschiedliche piezoelektrische Felder eingekoppelt werden können. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder, aufgrund der unterschiedlichen Materialien der Piezokeramikschichten und/oder der unterschiedlichen Schichtdicken der Piezokeramikschichten kommt es zu unterschiedlichen Auslenkungen der Piezokeramikschichten. Bei einem geeigneten Design des Biegewandlers führen die unterschiedlichen Auslenkungen der einzelnen Piezokeramikschichten zu einer Verbiegung des Biegewandlers.

Der Biegewandler weist vorzugsweise mehrere Piezoelemente auf. Die Piezoelemente ermöglichen beispielsweise eine sehr feine Abstimmung der Auslenkung des Biegewandlers. Bei einem Biegewandler mit mehreren Piezoelementen kann jedes der Piezoelemente über eine eigene Sensorelektrode verfügen. Denkbar ist aber insbesondere, dass lediglich ein einziges Piezoelement oder einige wenige Piezoelemente über eine oder mehrere Sensorelektroden verfügen. Zur Erfassung der Auslenkung des Biegewandlers reicht schließlich ein einziges Piezoelement mit Sensorfunktion aus. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung sind daher das Piezoelement und mindestens ein weiteres monolithisches Piezoelement zu einem Stapel mit einer Stapelrichtung übereinander angeordnet.

Die Piezoelemente können beliebig direkt oder indirekt miteinander verbunden sein. Denkbar ist beispielsweise, dass eine piezoelektrisch inaktive Schicht aus Kunststoff oder aus anderem Material zwischen den Piezoelementen angeordnet ist. Die Piezoelemente sind mittelbar miteinander verbunden.

Beispielsweise sind die Piezoelemente mit Hilfe eines Klebstoffs miteinander verbunden. Die Piezoelemente sind miteinander verklebt.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Stapel monolithisch. Der Stapel aus den Piezoelementen ist einstückig. Dies bedeutet, dass die Piezokeramikschichten und die Elektrodenschichten der Piezoelemente in einem gemeinsamen Sinterprozess hergestellt werden. Dazu werden beispielsweise keramische Grünfolien mit Elektrodenmaterial bedruckt, übereinander gestapelt, entbindert und gemeinsam gesintert. Es resultiert der piezoelektrische Biegewandler mit dem monolithischen Stapel aus den Piezoelementen. Zumindest ein Teil der Elektrodenschichten werden auf diese Weise vergraben. Diese als Innenelektroden bezeichneten Elektrodenschichten treten nicht unmittelbar aus dem Bauteil und sind sehr gut nach Außen hin abgeschirmt.

Der monolithische Stapel des piezoelektrischen Biegewandlers kann dabei derart ausgestaltet sein, dass zwischen den Piezoelementen eine piezoelektrisch inaktive Keramikschicht (Zwischenschicht) eingebracht ist. Die Zwischenschicht besteht beispielsweise aus einem Keramikmaterial erzielt, das selbst nicht piezoelektrisch aktiv ist. Denkbar ist auch, dass die Zwischenschicht ein an sich piezoelektrisch aktives Keramikmaterial aufweist, wie es die Piezokeramikschichten der Piezoelemente aufweisen. Allerdings wird in diese Zwischenschicht kein elektrisches Feld eingekoppelt. Aufgrund des Fehlens des elektrischen Feldes wird keine Polarisierung bzw. keine Auslenkung der Piezokeramik der Zwischenschicht erreicht. Die Auslenkung des Stapels beruht allein auf der Auslenkung der Piezokeramikschichten der Piezoelemente.

In einer besonderen Ausgestaltung sind die Piezoelemente derart übereinander zu dem monolithischen Stapel angeordnet, dass die Piezoelemente mindestens eine gemeinsame Elektrodenschicht aufweisen und die Sensorelektroden des Sensorelements die gemeinsame Elektrodenschicht aufweist. Es ist keine keramische Zwischenschicht zwischen den Piezoelementen vorhanden.

Die Piezoelemente mit oder ohne Sensorfunktion müssen nicht notwendigerweise einen gleichen Piezoelementschichtaufbau (Mehrschichtaufbau) aufweisen. Bevorzugt weisen aber das Piezoelement und das weitere Piezoelement jeweils einen im Wesentlichen identischen Mehrschichtaufbau Piezoelementschichtaufbau auf. Dies bedeutet, dass das Piezoelement und das weitere Piezoelement eine gleiche Schichtfolge von Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten aufweisen.

Das Piezoelement und das weitere Piezoelement mit dem im Wesentlichen identischen Piezoelementschichtaufbau können in beliebiger Weise übereinander gestapelt sein. Vorzugsweise sind das Piezoelement und das weitere Piezoelement mit dem im Wesentlichen identischen Piezoelementschichtaufbau zu einem Stapel angeordnet, der entlang der Stapelrichtung einen im Wesentlichen symmetrischen Stapelschichtaufbau aufweist. Der im Wesentlichen symmetrische Stapelschichtaufbau bedeutet, dass im Stapel eine (gedachte) Symmetrieebene vorhanden ist. Die Symmetrieebene bedeutet aber nicht, dass eine exakte Spiegelsymmetrie vorhanden sein muss. Es sind auch Abweichungen von der exakten Spiegelsymmetrie zulässig. Der symmetrische Aufbau des Stapels des Biegewandlers beinhaltet folgende wesentlichen Vorteile: Der Biegewandler ist eigenspannungsfrei. Darüber hinaus werden Änderungen des Auslenkungszustands des Biegewandlers kompensiert, die auf die Alterung der piezokeramischen Schichten zurückzuführen sind. Ebenso können thermisch induzierte Änderungen des Auslenkungszustands des Biegewandlers vernachlässigt werden.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens zum Erfassen einer Auslenkung wird eine beschleunigte Auslenkung des Biegewandlers erfasst. Die Auslenkung des Biegewandlers wird durch eine beschleunigte Bewegung hervorgerufen. Die beschleunigte Bewegung wird beispielsweise durch eine Ansteuerung der Elektroden des Piezoelements initiiert. Denkbar ist auch, dass die beschleunigte Bewegung eine Verlangsamung der Auslenkung darstellt. Eine Verlangsamung der Auslenkung wird beispielsweise durch ein äußeres Hindernis hervorgerufen. Durch dieses äußere Hindernis wird eine äußere Kraft in das Piezoelement eingeleitet. Aufgrund dieser äußeren Kraft, wird eine elektrische Spannung an der Sensorelektrode induziert, die abgegriffen wird.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:

– Der piezoelektrische Biegewandler verfügt über ein integriertes Sensorelement zum Erfassen einer Auslenkung des Biegewandlers. Zusätzlichen Aufbauten am Biegewandler und zusätzliche Fertigungsschritte zum Herstellen des Biegewandlers mit Sensorfunktion sind nicht nötig.
– Das mit der Sensorelektrode des Sensorelements erzeugte Sensorsignal zeichnet sich durch einen sehr hohen Signalpegel gegenüber anderen Sensorarten aus.
– Durch einen symmetrischen Aufbau des Biegewandlers hinsichtlich Geometrie und Material ist das Bauteil eigenverbiegungsfrei und bedarf keiner thermischen Kompensation.
– Bei einer vergrabenen Innenelektrode als Sensorelektrode erübrigt sich eine elektrische Isolierung.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt einen piezoelektrischen Biegewandler in perspektivischer Darstellung.
2 und 3 zeigen jeweils einen Stapel aus mehreren Piezoelementen.
Der piezoelektrische Biegewandler 1 weist einen monolithischen Stapel 30 aus übereinander angeordneten Piezoelementen 10 und 11 auf. Eine Grundfläche des Biegewandlers 1 ist rechteckig. In alternativen Ausführungsformen ist die Grundfläche des Biegewandlers 1 quadratisch oder rund.
Die Piezoelemente 10 und 11 verfügen jeweils über eine erste Elektrodenschicht 101 und 111, eine zweite Elektrodenschicht 102 und 112, eine dritte Elektrodenschicht 103 und 113 und jeweils eine zwischen den Elektrodenschichten 101, 102 und 103 bzw. 111, 112 und 113 angeordnete Piezokeramikschicht 104 und 105 bzw. 114 und 115. Das piezoelektrische Material jeder der Piezokeramikschichten 104, 105, 114 und 115 ist ein Bleizirkonattitanat. Das Bleizirkonattitanat der Piezokeramikschichten 104, 105, 114 und 115 ist polarisiert. In 2 sind die jeweilige Polarisationsrichtung 1041, 1051, 1141 und 1151 angedeutet.
Die Elektrodenschichten 101, 102 und 103 bzw. 111, 112 und 113 und die Piezokeramikschichten 104 und 105 bzw. 114 und 115 der Piezoelemente 10 und 11 sind jeweils so angeordnet, dass über die Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in die Piezokeramikschichten eingekoppelt werden kann. Aufgrund der eingekoppelten elektrischen Felder kommt es zur Auslenkung der Piezokeramikschichten und damit zur Auslenkung des jeweiligen Piezoelements. Umgekehrt führt die Verbiegung des Biegewandlers zu elektrischen Signalen, die an den Elektrodenschichten 101, 102 und 103 bzw. 111, 112 und 113 abgegriffen werden können.
Das Piezoelement 10 und das weitere Piezoelement 11 verfügen über identische Strukturen. Dies bedeutet, dass der Piezoelementschichtaufbau 106 des Piezoelements 10 und der Piezoelementschichtaufbau 116 des weiteren Piezoelements 11 identisch sind. Der Piezoelementschichtaufbau 106 des Piezoelements 10 und der Piezoelementschichtaufbau 116 des weiteren Piezoelements 11 ergeben sich wie folgt: Elektrodenschicht 101 (111) – erste Piezokeramikschicht 104 (114) mit einer Schichtdicke von etwa 50 μm – zweite Elektrodenschicht 102 (112) – zweite Piezokeramikschicht 105 (115) mit einer Schichtdicke von 35 μm – dritte Elektrodenschicht 103 (113).
Das Piezoelement 10 und das weitere Piezoelement 11 sind von einer piezoelektrisch inaktiven Keramikschicht 34 getrennt. Die piezoelektrisch inaktive Keramikschicht 34 besteht aus einem nicht polarisierten Bleizirkonattitanat.
Alternativ dazu ist zwischen den Piezoelementen 10 und 11 keine piezoelektrisch inaktive Keramikschicht 34 angeordnet. Die Piezoelemente 10 und 11 sind derart übereinander angeordnet, dass eine gemeinsame Elektrodenschicht 33 resultiert (3). Die Symmetrieebene verläuft entlang der Elektrodenschicht 33.
Die Piezoelemente 10 und 11 sind derart übereinander zu dem Stapel 30 angeordnet, dass ein im Wesentlichen symmetrischer Stapelschichtaufbau 32 resultiert. Dies bedeutet, dass die Piezoelemente 10 und 11 jeweils einen identischen Piezoelementschichtaufbau 106 bzw. 116 aufweisen. Im Stapel 30 ist zwischen den Piezoelementen 10 und 11 eine (gedachte) Symmetrieebene 35 vorhanden ist. Die Symmetrieebene 35 verläuft durch die piezoelektrisch inaktive Keramikschicht 34. Dabei kommt es nicht darauf an, dass eine exakte Symmetrie gegeben ist. Vielmehr reicht es aus, dass eine annähernde Symmetrie gegeben ist. Abweichungen sind also zulässig.
Weitere, nicht dargestellte Ausgestaltungen ergeben sich dadurch, dass ein nicht-symmetrischer Stapelschichtaufbau des Biegewandlers 1 vorhanden ist. Ebenso können die Piezoelemente 10 und 11 jeweils einen unterschiedlichen Piezoelementschichtaufbau aufweisen. Beispielsweise verfügt eines der Piezoelemente 10 oder 11 lediglich über zwei Elektrodenschichten, zwischen denen nur eine einzige Piezokeramikschicht angeordnet ist. Das andere Piezoelement weist dagegen einen oben beschriebenen Piezoelementschichtaufbau aus drei Elektrodenschichten und zwei Piezokeramikschichten auf. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ergibt sich dadurch, dass kein monolithischer Stapel 30 vorhanden ist, sondern lediglich ein einziges monolithischen Piezoelement 10.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird der Biegewandler 1 entspannt, also nicht gebogen betrieben. Dazu wird die zweite (innere) Elektrodenschicht 102 des Piezoelements 10 als Sensorelektrode 21 eines Sensorelements 20 zum Erfassen eine Auslenkung des Biegewandlers 1 benutzt (2). Mit Hilfe der Sensorelektrode 21 wird ein Sensorsignals generiert. Aufgrund des generierten Sensorsignals wird auf den Auslenkungszustand des Biegewandlers 1 geschlossen.
Keine der Elektrodenschichten 111, 112 und 113 des weiteren Piezoelements 11 wird als Sensorelektrode benutzt. Das weitere Piezoelement 11 verfügt über keine Sensorfunktion. Alternativ dazu wird auch eine der Elektrodenschichten 111, 112 und 113 des weiteren Piezoelements 11 als Sensorelektrode 21 des Sensorelements 20 benutzt. In diesem Fall verfügt auch das weitere Piezoelement 11 über eine Sensorfunktion.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Biegewandler 1 mit einer Biegung nach oben betrieben. Dazu wird die zweite Elektrodenschicht 102 des Piezoelements 10 mit einem elektrischen Potential von 25 V bis 30 V beaufschlagt. Die erste und die dritte Elektrodenschicht 101 und 103 des Piezoelements 10 werden auf Masse betrieben. Die Elektrodenschicht 112 des weiteren Piezoelements 11 wird als Sensorelektroden 21 des Sensorelements 20 verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Biegewandler 1 mit einer Biegung nach unten betrieben. Dazu wird die zweite Elektrodenschicht 112 des weiteren Piezoelements 11 mit einem elektrischen Potential von 25 V bis 30 V beaufschlagt. Die erste und die dritte Elektrodenschicht 111 und 113 des weiteren Piezoelements 11 werden auf Masse betrieben. Die Elektrodenschicht 102 des Piezoelements 10 wird als Sensorelektroden 21 des Sensorelements 20 verwendet.
Aufgrund des erfassten Sensorsignals des Sensorelements 20 wird auf den Auslenkungszustand des Biegewandlers 1 geschlossen. Das erfasste Sensorsignal bzw. der erfasste Auslenkungszustand des Biegewandlers 1 wird als Eingangsgröße für einen Regelkreis zur Ansteuerung der Elektrodenschichten 101, 102, 103, 111, 112 und 113 des Biegewandlers 1 verwendet. So lange der Auslenkungszustand mit einer Sollgröße der Auslenkung übereinstimmt, ist es nicht notwendig, die Elektrodenschichten eines oder beider Piezoelemente 10 oder 11 mit elektrischer Spannung zu versorgen. Ist dagegen der Auslenkungszustand des Biegewandlers 1 nicht in einem Sollzustand, werden die Elektrodenschichten mit einer elektrischen Spannung versorgt, so dass der Sollwert der Auslenkung des Biegewandlers 1 erreicht ist. Es resultiert also ein Regelkreis, mit der die Auslenkung des Biegewandlers gesteuert bzw. nachjustiert wird.

Claims

Piezoelektrischer Biegewandler (1), aufweisend – mindestens ein monolithisches Piezoelement (10, 11) mit einer Elektrodenschicht (101, 111), mindestens einer weiteren Elektrodenschicht (102, 103, 112, 113) und einer zwischen den Elektrodenschichten (101, 102, 103, 111, 112, 113) angeordneten Piezokeramikschicht (104, 105, 114, 115) und – mindestens ein Sensorelement (20) mit einer Sensorelektrode (21) zum Erfassen einer Auslenkung des Biegewandlers (1), dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensorelektrode (21) des Sensorelements (20) eine der Elektrodenschichten (101, 102, 103, 111, 112, 113) des Piezoelements (10, 11) aufweist.
Biegewandler nach Anspruch 1, wobei das Piezoelement (10, 11) und mindestens ein weiteres monolithisches Piezoelement (11, 10) zu einem Stapel (30) mit einer Stapelrichtung (31) übereinander angeordnet sind.
Biegewandler nach Anspruch 2, wobei der Stapel (30) monolithisch ist.
Biegewandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Piezoelemente (10, 11) derart übereinander zu dem monolithischen Stapel (30) angeordnet sind, dass – die Piezoelemente (10, 11) mindestens eine gemeinsame Elektrodenschicht (33) aufweisen und – die Sensorelektrode (21) des Sensorelements (20) die gemeinsame Elektrodenschicht (33) aufweist.
Biegewandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Piezoelement (10, 11) und das weitere Piezoelement (11, 10) jeweils einen im Wesentlichen identischen Piezoelementschichtaufbau (106, 116) aufweisen.
Biegewandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Stapel (30) entlang der Stapelrichtung (31) einen im Wesentlichen symmetrischen Stapelschichtaufbau (32) aufweist.
Verfahren zum Erfassen einer Auslenkung des Biegewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei durch die Auslenkung des Biegewandlers (1) ein Elektrodenpotential der Sensorelektrode (21) des Sensorelements (20) entsteht, das abgegriffen wird und aus dem die Auslenkung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine beschleunigte Auslenkung des Biegewandlers (1) erfasst wird.
Verwendung der nach Anspruch 7 oder 8 erfassten Auslenkung des Biegewandlers (1) als Eingangsgröße für einen Regelkreis zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Biegewandlers (1).