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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, wie er beispielsweise als Stelleinrichtung
in Einspritzanlagen für
Brennkraftmaschinen verwendbar ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind keramische Piezoaktoren bekannt, bei
denen der piezoelektrische Effekt zur Bewegung von Bauteilen ausgenutzt wird.
So zeigt beispielsweise die Patentschrift
DE 199 28 177 C2 einen
Piezoaktor, der aus einem keramischen Piezokörper besteht. Der Piezokörper setzt sich
zusammen aus einer Vielzahl von Piezolagen, zwischen denen jeweils
eine Schichtelektrode angeordnet ist. Die Schichtelektroden sind
hierbei wechselseitig mit einer Anschlusselektrode verbunden, so dass
direkt benachbarte Schichtelektroden mit jeweils verschiedenen Anschlusselektroden
verbunden sind. Wird eine elektrische Gleichspannung zwischen den
beiden Anschlusselektroden angelegt, so entsteht zwischen den Schichtelektroden
ein elektrisches Feld. Dies bewirkt, dass sich die Piezolagen in ihrer
Dicke ändern,
so dass sich insgesamt die Länge des
Piezoaktors ändert.
Dadurch kann der Piezoaktor je nach eingestellter Spannung als Stellglied,
z.B. in Kraftstoffeinspritzanlagen, verwendet werden. Durch die
Vielzahl von Schichtelektroden, die nur einen geringen Abstand aufweisen,
kann ein sehr hohes elektrisches Feld angelegt werden, ohne dass eine übermäßig hohe
elektrische Spannung verwendet werden muss. Dies erlaubt, mit einer
relativ niedrigen Steuerspannung einen großen Hub des Piezoaktors zu
bewirken.
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Der
geringe Abstand der Schichtelektroden voneinander, der meist im
Bereich von 50 bis 100 μm liegt,
stellt jedoch auch einen Schwachpunkt dieses Piezoaktor-Konzepts
dar. Die Schichtelektroden bestehen aus einem Metall, beispielsweise
Silber oder Silberpalladium, und dieses Metall weist eine gewisse
Diffusions-Beweglichkeit innerhalb der keramischen Piezolagen auf.
So kann es mit der Zeit vorkommen, dass sich zwischen zwei benachbarten Schichtelektroden
durch Diffusion von metallischem Schichtelektrodenmaterial eine
Leitungsbrücke
entsteht und damit ein Kurzschluss zwischen den beiden Anschlusselektroden.
Da die Anschlusselektroden normalerweise elektrisch gegeneinander
isoliert sind, fließt
jetzt ein sehr hoher Strom durch diese Leitungsbrücke, was
einerseits einen Spannungsverlust bedeutet und andererseits zu einer
starken Erwärmung in
diesem Bereich führt.
Diese Erwärmung
führt zu
einer Vergrößerung der
Schädigung
und kann letztendlich zu einer Zerstörung des Piezoaktors führen.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Piezoaktor
weist dem gegenüber
den Vorteil auf, dass dieser auch beim Entstehen eines Kurzschlusses
zwischen zwei Schichtelektroden nach wie vor arbeitet. Dies wird dadurch
erreicht, dass zwischen wenigstens einer der Anschlusselektroden
und den jeweiligen Schichtelektroden Schutzwiderstände vorgesehen
sind. Diese sind so dimensioniert, dass dann, wenn eine Leitungsbrücke zwischen
zwei Schichtelektroden entsteht, der jetzt fließende hohe Leckstrom den jeweiligen
Schutzwiderstand durchschmelzen lässt. Dadurch wird die elektrische
Verbindung zwischen der defekten Schichtelektrode und der betroffenen
Anschlusselektrode unterbrochen, so dass die entsprechende Schichtelektrode
nicht mehr mit der Anschlusselektrode verbunden ist und damit auch
die dazwischen liegende Piezolage nicht mehr dem elektrischen Feld
ausgesetzt ist, jedoch die restlichen Schichtelektroden nach wie
vor funktionieren. Da bei Piezoaktoren, wie sie beispielsweise in
Injektoren für direkteinspritzende
Brennkraftmaschinen verwendet werden, einige hundert Piezolagen
und damit auch Schichtelektroden vorgesehen sind, spielt dies für den Gesamthub
des Piezoaktors praktisch keine Rolle, so dass dieser auch beim
Ausfall einiger Schichten problemlos den Injektor steuern kann.
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Durch
die abhängigen
Anspruche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der
Erfindung möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der jeweilige Schutzwiderstand
innerhalb der Schichtelektrode ausgebildet, so dass die Anschlusselektroden
und die sonstige Geometrie des Piezoaktors nicht geändert werden
muss. In vorteilhafter Wei se ist der Schutzwiderstand innerhalb
der Schichtelektrode angeordnet und beispielsweise streifenförmig ausgebildet,
wobei der Streifen relativ nahe an der Anschlusselektrode oder am
Rand der Schichtelektrode zur Anschlusselektrode hin ausgebildet
ist. Der Streifen besteht aus einem Material, das einen entsprechenden
elektrischen Widerstand aufweist und so den Schutzwiderstand bildet.
Es kann hierbei ein oder eine Mehrzahl von Streifen vorgesehen sein.
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In
vorteilhafter Weise kann der Schutzwiderstand durch eines körniges,
piezoaktives Material gebildet werden, wobei die Körner mit
einer Metallschicht überzogen
sind. Die elektrische Leitung kommt innerhalb dieses körnigen,
piezoaktiven Materials durch diese Metallbeschichtung zustande,
wobei über
die Schichtdicke der Metallschicht die Größe des Widerstands einstellbar
ist. Übersteigt
der Strom durch diesen Schutzwiderstand eine bestimmte Höhe, so schmilzt
das Metall, mit dem die Körner
beschichtet sind, und wird fließfähig, so
dass der elektrische Widerstand letztendlich unterbrochen wird. Hierbei
ist die Metallbeschichtung der Körner
vorzugsweise aus demselben Material, aus dem auch die Schichtelektroden
bestehen.
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Der
Schutzwiderstand innerhalb der Schichtelektrode kann auch durch
Widerstandsbrücken
gebildet werden, so dass in einem Streifen eine oder mehrere Widerstandsbrücken ausgebildet
sind, die den Schutzwiderstand bilden. Über die Breite und Länge dieser
Widerstandsbrücken
kann ebenfalls der Schutzwiderstand eingestellt werden. Es ist auch möglich, die
Schutzwiderstände
dadurch zu bilden, dass zwischen den Anschlusselektroden und der Schichtelektrode
metallische Widerstandsbrücken vorgesehen
sind, deren Breite so gewählt
wird, dass der elektrische Widerstand im gewünschten Bereich liegt. Eine
solche Anordnung ist vor allem bei zylindrischen Piezoaktoren von
Vorteil, bei denen die Anschlusselektroden im Inneren verlaufen.
Hier können radial
verlaufende, stegförmige
Verbindungen zu den Schichtelektroden vorgesehen sein, die den Schutzwiderstand
bilden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Anschlusselektroden
als wendelförmig
gewundener Draht ausgeführt,
welcher im Inneren des Piezoaktors eine Verbindung mit den Schichtelektroden
herstellen. Hierbei kann der wendelförmig gewundene Draht einen
solchen punktförmigen
Kontakt zu den Schichtelektroden aufweisen, dass dadurch ein geeigneter
Schutzwiderstand gebildet wird.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors dargestellt.
Es zeigt
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1 einen
Piezoaktor mit rechteckförmigem
Querschnitt, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
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2 ein
Ersatzschaltbild für
einen erfindungsgemäßen Piezoaktor,
der entsprechende Schutzwiderstände
aufweist,
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3a und 3b zeigen
zwei benachbarte Schichtelektroden eines erfindungsgemäßen Piezoaktors
mit rechteckförmigem
Querschnitt,
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4a und 4b zeigen
ebenfalls zwei benachbarte Schichtelektroden eines rechteckförmigen Piezoaktors,
wobei die Schutzwiderstände
hier verschieden ausgebildet sind,
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5 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
eines Schutzwiderstands, wie er innerhalb der Schichtelektrode vorgesehen
sein kann,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem der Piezoaktor einen rechteckförmigen Querschnitt, jedoch
zylindrischen Anschlusselektroden aufweist,
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7 einen
Querschnitt durch einen Piezoaktor nach 6,
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8 einen
zylindrischen Piezoaktor mit innen liegenden Anschlusselektroden,
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9a und 9b zeigen
zwei Schichtelektroden des zylindrischen Piezoaktors nach 8,
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10 zeigt
als weiteres Ausführungsbeispiel
eine Schichtelektrode, wie sie in einem zylindrischen Piezoaktor
verwendet werden kann,
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11 eine
innen liegende Anschlusselektrode, wie sie in einem zylindrischen
Piezoaktor verwendet werden kann,
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12 einen
zylindrischen Piezoaktor mit zwei exemplarisch dargestellten Schichtelektroden und
eine wendelförmige
Anschlusselektrode, die für einen
solchen Piezoaktor Verwendung findet,
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13 die
wendelförmige
Anschlusselektrode mit einer Beschichtung,
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14 einen
Schnitt durch die Anschlusselektrode nach 13 entlang
der Linie A-A und
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15 einen
weiteren Querschnitt entsprechend der Darstellung nach 14,
bei der entsprechende Schutzwiderstände vorgesehen sind.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
einen Piezoaktor 1, wie er aus dem Stand der Technik bekannt
ist und der einen rechteckförmigen
Querschnitt aufweist, wobei die Kanten angeschrägt sind. Der Piezoaktor 1 weist eine
Vielzahl von Piezolagen 3 auf, die aus einem piezoaktiven
keramischen Material gefertigt sind. Zwischen den Piezolagen 3 ist
jeweils eine metallische Schichtelektrode 5, 6 vorgesehen,
wobei die jeweils benachbarten Schichtelektroden 5, 6 gegeneinander durch
die dazwischen liegende Piezolagen 3 elektrisch isoliert
sind. Eine Hälfte
der Schichtelektroden 5 ist mit einer ersten Anschlusselektrode 8 verbunden,
während
die jeweils benachbarten Anschlusselektroden 6 mit einer
zweiten Anschlusselektrode 9 verbunden sind. Die Anschlusselektroden 8, 9 sind hierbei
auf die Oberfläche
des Piezoaktors 1 aufgebracht und elektrisch leitend mit
den jeweiligen Schichtelektroden 5, 6 verbunden.
Die Anschlusselektroden 8, 9 weisen eine so große Flexibilität auf, dass
trotz der Längenänderung
des Piezoaktors l stets eine elektrische Verbindung zu den jeweiligen Schichtelektroden 5, 6 verbleibt.
Die Anschlusselektroden 8, 9 sind mit elektrischen
Anschlüssen 11, 12 verbunden,
mit denen zwischen den Anschlusselektroden 8, 9 eine
elektrische Spannung angelegt werden kann.
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Durch
das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Anschlusselektroden 8, 9 entsteht
ein elektrisches Feld zwischen den Schichtelektroden 5, 6,
das die Piezolagen 3 durchsetzt. Je nach Höhe der elektrischen
Spannung und damit des elektrischen Feldes, ändert sich die Dicke der Piezolagen 3 und
damit die gesamte Länge
des Piezoaktors 1. Dies erlaubt, mit dem Piezoaktor 1 sehr
schnell und auch sehr präzise
ein entsprechendes Stellglied zu bewegen.
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Die
Schichtelektroden 5, 6 bestehen aus einem Metall,
z.B. Silber oder Silberpalladium, wobei dieses Metall eine gewisse
Beweglichkeit innerhalb der Keramik aufweist, aus denen die Piezolagen 3 bestehen.
Insbesondere bei längerem
Betrieb des Piezoaktors 1 kann dies dazu führen, dass
sich Metall aus den Schichtelektroden 5, 6 löst und eine
Leitungsbrücke l4 zwischen
zwei benachbarten Schichtelektroden 5, 6 bildet.
Eine solche Leitungsbrücke 14 führt zu einem
Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Schichtelektroden 5, 6,
so dass jetzt ein entsprechend hoher Strom durch die Leitungsbrücke 14 fließt. Dies
führt lokal
zu einer starken Erwärmung des
Piezoaktors 1 und damit zu einem Aufschmelzen der metallischen
Schichtelektroden 5, 6, was letztendlich zu einer
Zerstörung
des Piezoaktors 1 führt.
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Um
diese Zerstörung
des Piezoaktors 1 abzuwenden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, Schutzwiderstände 16 zwischen
der Anschlusselektrode 5, 6 und der Piezolage 3 anzuordnen,
die als Schmelzsicherung dienen. 2 zeigt
hierzu ein Ersatzschaltbild, bei dem die Schichtelektroden 5, 6 und
die Anschlusselektroden 8, 9 gezeigt sind. Zwischen
der Anschlusselektrode 9 und den Schichtelektroden 6 ist
jeweils ein Schutzwiderstand 16 vorgesehen, der so dimensioniert
ist, dass er einerseits den Strom begrenzt, wenn zwischen zwei Schichtelektroden 5, 6 eine
Leitungsbrücke 14 entsteht,
andererseits bei anhaltend hohem Strom durch die Leitungsbrücke 14 durchschmilzt
und so den elektrischen Kontakt zwischen der defekten Schichtelektrode 6 und
der Anschlusselektrode 9 unterbricht. Dadurch wird auch
die elektrische Verbindung zwischen der Leitungsbrücke 14 und
der Anschlusselektrode 9 unterbrochen, so dass die defekten
Schichtelektroden 5, 6 nicht mehr mit der Spannungsversorgung verbunden
sind. Die dazwischen liegende Piezolage 3 weist aufgrund
des fehlenden elektrischen Feldes keine Dickenänderung mehr auf, jedoch ist
bei typischerweise 200 Piezolagen 3 der Ausfall einzelner Piezolagen
für die
Gesamtfunktion des Piezoaktors 1 ohne nennenswerte Bedeutung.
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3a zeigt
eine erfindungsgemäße Schichtelektrode 6,
in der der Schutzwiderstand 16 als Streifen innerhalb der
Schichtelektrode 6 ausgebildet ist. 3b zeigt
die benachbarte Schichtelektrode 5, die direkt ohne einen
Schutzwiderstand mit der Anschlusselektrode 8 verbunden
ist. Da der Schutzwiderstand 16 hier direkt in die Schichtelektrode 6 integriert
ist, ergibt sich keine Änderung
des Piezoaktors 1 hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen,
so dass sowohl die Anschlusselektroden 8, 9 als
auch die Einbauverhältnisse
nicht geändert
werden müssen.
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4a zeigt
eine alternative Ausgestaltung der Schichtelektrode 6 mit
Schutzwiderständen 16, die
hier durch Widerstandsbrücken 116 gebildet
werden. Diese bestehen nach wie vor aus dem körnigen piezoaktiven Material,
wobei hier der Vorteil besteht, dass über die Breite der Widerstandsbrücken 116 eine
zusätzliche
Dimensionierungsmöglichkeit
für dem
Schutzwiderstand besteht. 4b zeigt
in einer alternativen Ausgestaltung der Schichtelektrode nach 3a einen
Schutzwiderstand 16, der hier am Rand der Schichtelektrode 6 ausgebildet
ist, direkt mit der Anschlusselektrode 9 verbunden ist.
Die Wirkungsweise des Schutzwiderstandes 16 ist hier jedoch
identisch zu dem Schutzwiderstand, wie er in 3 gezeigt
ist.
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Der
Schutzwiderstand 16, der als Streifen in der Schichtelektrode 6 vorgesehen
ist, kann beispielsweise durch körniges
piezoaktives Material gebildet werden, wie es 5 in
einer Vergrößerung zeigt.
Die einzelnen Körner 18 sind
mit einer Metallbeschichtung 20 versehen, die den elektrisch
leitenden Pfad innerhalb der Schichtelektrode 6 bildet. Kommt
es jetzt zu einem übermäßig hohen
Strom durch diese Metallbeschichtung 20, so schmilzt dieser
auf und das Metall bewegt sich innerhalb des Schutzwiderstandes 16 so,
dass dieser nach einer gewissen Zeit die Schichtelektrode 6 von
der Anschlusselektrode 9 trennt.
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6 zeigt
einen weiteren Piezoaktor 1, der ebenfalls einen rechteckförmigen Querschnitt
aufweist. Die Anschlusselektroden 8', 9' sind hier als Metallröhrchen ausgebildet,
die in eine halbkreisförmige
Ausnehmung in den Piezoaktor 1 hineinragen. 7 zeigt
einen Querschnitt durch den Piezoaktor nach 6, wobei
eine Schichtelektrode 6 dargestellt ist. Die Anschlusselektrode 9' ist über Schutzwiderstände 16' mit der Schichtelektrode 6 verbunden, die
durch stegförmige
Verbindungen gebildet werden. Je nach Anzahl und Breite der die
Schutzwiderstände 16' bildenden stegförmigen Verbindungen
ergibt sich ein mehr oder weniger großer Schutzwiderstand zwischen
der Anschlusselektrode 9' und
der Schichtelektrode 6. Die Schichtelektrode 6 ist
hier von der zweiten Anschlusselektrode 8' elektrisch getrennt, während die
darüber
bzw. darunter liegende Schichtelektrode 5 mit der Anschlusselektrode 8' in der bekannten
Weise verbunden ist.
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8 zeigt
einen Piezoaktor 1, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Im Piezoaktor 1 sind zwei Bohrungen 17, 19 ausgebildet,
in denen jeweils eine Anschlusselektrode 82', 9'' angeordnet
ist. Diese sind in bekannter Weise abwechselnd mit den Schichtelektroden 5, 6 verbunden,
wobei der Schutzwiderstand 16'' hier
dadurch gebildet ist, dass die Anschlusselektrode 9'' von einem Material mit einem entsprechenden
elektrischen Widerstand umhüllt
ist, durch das letztendlich der elektrische Kontakt zwischen der
Anschlusselektrode 9'' und den Schichtelektroden 5 zustande
kommt. 9a zeigt hierzu eine Schichtelektrode 6,
die mit der Anschlusselektrode 9'' verbunden
ist. Die Schichtelektrode 6 weist zwei Ausnehmungen 22, 23 auf,
so dass keine elektrische Verbindung zwischen der Anschlusselektrode 8'' und der Schichtelektrode 6 entsteht.
Durch das Material, das die Anschlusselektrode 9'' umgibt, wird ein Schutzwiderstand 16'' gebildet, über den die Schichtelektrode 6 mit
der Anschlusselektrode 9'' verbinden ist.
Das Material, das die Anschlusselektrode 9'' umgibt,
kann beispielsweise ebenfalls eine Körnung aus metallbeschichteten
Keramikkörnern sein,
wie sie in 5 dargestellt ist. Es sind jedoch auch
andere Materialien denkbar, die einen entsprechend hohen spezifischen
Widerstand aufweisen.
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9b zeigt
die darüber
bzw. darunter liegende Schichtelektrode 5, die mit der
Anschlusselektrode 8'' verbunden ist.
Durch eine entsprechend groß dimensionierte
Ausnehmung 23' ist
diese nicht mit der Anschlusselektrode 9'' verbunden.
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10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Schichtelektrode 6, wie sie in einem runden Piezoaktor
vorgesehen sein kann. Der Schutzwiderstand 16' wird hier durch
Widerstandsbrücken
gebildet, die innerhalb der Schichtelektrode 6 vorgesehen
sind und über
die die elektrische Verbindung zur Anschlusselektrode 9'' gebildet ist. In diesem Fall entfällt die
Umhüllung
der Anschlusselektroden 9''. Die entsprechend
darüber
oder darunter liegende Schichtelektrode 5 ist mit der Anschlusselektrode 8'' verbunden und gegen die Anschlusselektrode 9'' isoliert.
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11 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem der Schutzwiderstand in die Anschlusselektroden 9'' integriert ist. Die Anschlusselektrode 9'' besteht hier aus einem metallischen
Rohr 109, das von einer Metallbeschichtung 25 umgeben
ist, welche radial nach außen
weisende, stegartige Ausstülpungen
aufweist, die den Schutzwiderstand 16' bilden. Zwischen den Schutzwiderständen 16' ist elektrisch
isolierendes, vorzugsweise keramisches Material 27 vorgesehen,
so dass das metallische Rohr 109 letztendlich über die
Schutzwiderständen 16' mit der jeweiligen
Schichtelektrode 5, 6 verbunden ist. Der kreisrunde
Piezoaktor 1 kann hierbei also in der bekannten Art und
Weise aufgebaut und mit den Anschlusselektroden 8, 9 verbunden
werden, wobei lediglich eine der Anschlusselektroden durch eine
Anschlusselektrode 9'' nach 11 ersetzt
werden muss.
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12 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Piezoaktors 1 mit kreisrundem Querschnitt. Der Piezoaktor 1 weist
zwei Bohrungen 17, 19 auf, die die Anschlusselektroden
aufnehmen. Exemplarisch sind hier zwei Schichtelektroden 5, 6 dargestellt,
die in bekannter Weise abwechselnd bis zur Wand der Bohrungen l7, 19 durchgezogen
und so an dieser Stelle kontaktierbar sind. In die Bohrungen 17, 19 wird
eine Federelektrode 30 eingebracht, die aus einem wendelförmig aufgewickelten
Draht besteht. Um die Übergangswiderstände 16 zu
bilden, wird die wendelförmige
Federelektrode 30 mit einer Keramikschicht 32 überzogen,
wie in 13 dargestellt. Im Querschnitt,
wie er in 14 dargestellt ist, sieht man
den Keramiküberzug 32,
der allseitig die wendelförmige
Fe derelektrode 30 umgibt. Um einen entsprechenden Übergangswiderstand,
der als Schutzwiderstand 16 dient, zu bilden, wird der
Keramiküberzug 32 mit
einem flächenhaften
Anschliff 34 abgetragen, so dass eine blanke Stelle der
Breite D entsteht, wie in 15 dargestellt.
Dadurch berührt
die wendelförmige
Federelektrode 30 die jeweiligen Schichtelektroden 5, 6 punktförmig, was
bei entsprechender Dimensionierung einen Übergangswiderstand produziert,
der als Schutzwiderstand 16 dient.
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Die
Schutzwiderstände 16 sollten
vorzugsweise so dimensioniert sein, dass sie sich bei einem überhöhten Strom
entsprechend erhitzen und Durchschmelzen, noch ehe der Strom, der
bei einem Kurzschluss zwischen zwei Schichtelektroden 5, 6 fließt, zu einer
Zerstörung
des Piezoaktors 1 führt.
Neben der Ausführung
der Schutzwiderstände 16 innerhalb der
Schichtelektroden 5, 6 durch eine gekörnte Keramikmasse,
die metallisch überzogen
ist, ist es beispielsweise auch möglich, die Schichtelektrode 5, 6 entsprechend
in einem Bereich zu dotieren, um dort einen entsprechenden elektrischen
Widerstand zu erhalten.