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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
Piezokeramiken 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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Ein
weiterer wesentlicher Grund für
das Auftreten unerwünschter
mechanischer Spannungen besteht darin, dass bei einer Polarisierung
des aktiven Bereiches des Piezoaktors eine remanente Polarisation
auch bei nicht anliegendem elektrischem Feld derart auftritt, dass
der piezo-elektrisch aktive Bereich sich beispielsweise in der Ebene
der Elektroden zusammenzieht, wohingegen der inaktive Kopfbereich
und der inaktive Fußbereich
keinerlei Abmessungsänderungen
erfahren, da keine Polarisierung vorgenommen wurde und somit keine
remanente Polarisation existiert. Aufgrund der durch die remanente
Polarisation bedingten Längenänderung
des piezo-elektrisch aktiven Bereiches entsteht ein Ausdehnungsunterschied
zwischen dem aktiven und dem inaktiven Endbereich. Dieser Ausdehnungsunterschied
führt zu
unerwünschten
Mechanischen Spannungen zwischen diesen beiden Bereichen.
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Diese
unerwünschten,
nicht definierten und unkontrollierbaren mechanischen Spannungen
können
zu unerwünschten
Rissen führen,
welche senkrecht zu der Ebene der Elektroden und durch den Piezoaktor
hindurch verlaufen können,
d.h. derartige Risse können
senkrecht in den aktiven Bereich als so genannte Längsrisse
hineinwachsen. Dabei werden die Arbeitselektroden eventuell durchtrennt
und Spalten zwischen den Arbeitselektroden unterschiedlichen Potentials
geschaffen. An diesen Stellen kann es zu elektrischen Überschlägen kom men,
welche im Weiteren in einem Ausfall des Piezoaktors resultieren.
Somit führen
unterschiedliche Dehnungsverhalten des aktiven und des passiven
Bereiches während einer
Polarisierung 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 und dass mechanische Spannungen
aufgrund von unter schiedlichen Dehnungsverhalten der beiden Bereiche
beim piezo-elektrischen Betrieb nicht verringert werden können.
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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 piezo-elektrisch 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 wiederum mechanische Spannungen aufgrund von unterschiedlichen
Dehnungsverhalten der beiden Bereiche beim piezo-elektrischen Betrieb nicht
verringert werden können.
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Ferner
besteht bei obigen Ansätzen
nach wie vor die Möglichkeit
einer Bildung von unerwünschten Längsrissen
aufgrund auftretender, undefinierter mechanischer Spannungen zwischen
den aktiven und den inaktiven Bereichen, bedingt durch remanente Ausdehnungsunterschiede.
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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 aufgrund von Ausdehnungsunterschieden verringert werden.
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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
10 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
dass der Piezoaktor mit einem piezo-elektrisch akti ven Bereich,
welcher bei einer Polarisation in Längsrichtung des Piezoaktors eine
Querkontraktion erfährt,
und mit jeweils einem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich an einer
zugeordneten axialen Endfläche
des piezo-elektrisch aktiven Bereiches ausgebildet wird, wobei der
jeweilige piezo-elektrisch
inaktive Endbereich mit einer an die Querkontraktion des piezo-elektrisch
aktiven Bereiches angepassten Querkontraktion zum Minimieren des
Unterschiedes zwischen der Querkontraktion des piezo-elektrisch
aktiven Bereiches und der Querkontraktion des jeweiligen piezo-elektrisch
inaktiven Endbereiches ausgebildet wird.
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Somit
weist die vorliegende Erfindung gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den
Vorteil auf, dass bei einer Polarisation des aktiven Bereiches bzw.
bei einer elektrischen Ansteuerung desselben der Kontraktionsunterschied
in Querrichtung zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich und
dem jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereich verringert
bzw. eliminiert wird, da auch der piezo-elektrisch inaktive Endbereich eine
entsprechende Querkontraktion erfährt. Durch eine Annäherung der
Kontraktions- bzw.
Ausdehnungsbeträge
der beiden aneinander angrenzenden Bereiche können mechanische Spannungen
zwischen dem aktiven Bereich und dem jeweiligen Endbereich verringert
bzw. minimiert werden. Die eventuell noch verbleibenden mechanischen
Spannungen reichen vorteilhaft nicht aus, um schädliche Längsrisse in dem Piezoaktor
zu bilden. Somit kann die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit
eines Piezoaktors erhöht
werden, da eine potenzielle Ursache für eine Rissbildung beseitigt
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird der jeweilige piezo-elektrisch inaktive
Endbereich durch Polarisieren desselben in Richtung der Polarisation
des piezo-elektrisch aktiven Bereiches mit einer an die Querkontraktion
des aktiven Bereiches angepassten Querkontraktion ausgebildet. Vorzugsweise
wird eine geeignete elektrische Polarisationsspannung zum Polarisieren
des jeweiligen inaktiven Endbereiches an denselben angelegt, wobei
sich durch die Polarisation in Längsrichtung
des Piezoaktors analog zum aktiven Bereich eine Querkontraktion
einstellt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung werden zum Erzeugen der elektrischen
Polarisationsspannung für
eine Polarisation des jeweiligen piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches
die Arbeitselektroden des Piezoaktors elektrisch miteinander verbunden
und vorzugsweise kurzgeschlossen, wobei eine geeignete elektrische
Polarisationsspannung an die Stirnseiten des Piezoaktors angelegt wird.
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Vorteilhaft
wird der Piezoaktor vor der Polarisation in eine geeignete Vorspanneinrichtung,
beispielsweise eine Rohrfeder, eingespannt. In diesem Fall können die
Einspannflächen
der Vorspanneinrichtung als Elektroden zum Anlegen der elektrischen Polarisationsspannung
verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können weitere Elektroden zum
Anlegen der elektrischen Polarisationsspannung an den Stirnseiten
des Piezoaktors vorgesehen werden.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der jeweilige piezo-elektrisch inaktive Endbereich aus einem
ferro-elastisch weichen Material ausgebildet. Ein derartiges Material
reagiert schnell auf mechanische und/oder elektrische Einwirkungen.
Vorteilhaft wird der jeweilige inaktive Endbereich aus einem Material
ausgebildet, welches sich in der rhomboedrischen ferroelektrischen
Phase des Phasendiagramms befindet. Materialien dieser Zusammensetzung
haben eine geringe remanente Polarisation, d. h. sie können sich
durch Umschalten der Domänen
leicht an mechanische Spannungen anpassen. Somit erfolgt bei einem
Kontraktionsunterschied zwischen dem aktiven Bereich und dem jeweiligen
inaktiven Endbereich aufgrund der mechanischen Spannungen ein Umschalten
der Domänen
in dem Übergangsbereich
zwischen dem aktiven Bereich und dem jeweiligen inaktiven Endbereich,
wo bei ein derartiges Umschalten und eine somit in Längsrichtung
des Piezoaktors erfolgende Polarisation des inaktiven Endbereiches
in einer Querkontraktion desselben resultiert. Dadurch werden die
Querkontraktionen der beiden Bereiche aneinander angeglichen, sodass
sich die mechanischen Spannungen abbauen können.
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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 vor einer Polarisation gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2:
eine Teilansicht eines in monolithischer Vielschicht-Bauweise aufgebauten
Piezoaktors nach einer Polarisation des piezo-elektrisch aktiven
Bereiches gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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3:
eine Teilansicht des Piezoaktors aus 2 nach einer
Polarisation des piezo-elektrisch aktiven Bereiches sowie des angrenzenden
piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4:
eine Teilansicht des Piezoaktors aus 3 im mechanisch
kraftbeaufschlagten Zustand gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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5:
eine Teilansicht eines kraftbeaufschlagten Piezoaktors mit einem
piezo-elektrisch inaktiven Endbereich, welcher aus einem ferro-elastisch
weichen Material besteht, gemäß einem
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 mittels 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. aus einem oberen Kopfbereich 3 und einem unteren Fußbereich 3.
Der piezo-elektrisch aktive Bereich 2 besteht vorzugsweise
aus mehreren piezo-elektrischen
Keramikschichten, welche jeweils durch Arbeitselektroden 4 voneinander
getrennt bzw. mit Elektrodenschichten einseitig bedruckt sind. Die positiven
und negativen Pole der Arbeitselektroden 4 wechseln sich
beim normalen Betrieb des Piezoaktors 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 piezo-elektrischen
Schichten zu erhalten.
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2 illustriert
eine Teilansicht eines Piezoaktors 1, dessen piezo-elektrisch
aktiver Bereich 2 in Längsrichtung
des Piezoaktors 1 durch Anlegen einer geeigneten Polarisierungsspannung
UaB an die entsprechenden Arbeitselektroden 4 polarisiert
wurde, während
der piezo-elektrisch inaktive Endbereich 3 sich in einem
unpolarisierten Zustand befindet. Dies ist in 2 durch
die mit PaB und PEW bezeichneten
Pfeile schematisch dargestellt. Aufgrund der Polarisation PaB des aktiven Bereiches 2 erfährt dieser
in Längsrichtung
des Piezoaktors 1 eine (remanente) Längenausdehnung, wohingegen
er in Querrichtung eine Kontraktion erfährt. Aufgrund dieser Querkontraktion
besteht im Übergangsbereich 6 zwischen
dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 ein
Unterschied der Querausdehnung der beiden Bereiche 2 und 3,
wie in 2 ersichtlich ist. Dieser Ausdehnungsunterschied
ist Ursache, wie in der Einleitung ausführlich erläutert, für mechanische Spannungen in
dem Übergangsbereich 6,
welche letztendlich zu den unerwünschten
Rissbildungen führen.
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Um
den Unterschied der Längenausdehnung
zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 zu
verringern bzw. auszugleichen, wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung der piezo-elektrisch inaktive Endbereich 3 in
Richtung der Polarisation PaB des aktiven
Bereiches 2 polarisiert, wie in 3 in einer Teilansicht
durch das Bezugszeichen PEB illustriert ist.
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Zusätzlich zu
der an die Arbeitselektroden 4 angelegten Polarisationsspannung
UaB wird beispielsweise für eine parallele
Polarisation der beiden Bereiche 2 und 3 eine
elektrische Polarisationsspannung UEB zwischen
der obersten Arbeitselektrode 4 und der Stirnseite des
Piezoaktors 1 angelegt, wie in 3 dargestellt
ist.
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Alternativ
zu einer parallelen Polarisation der Bereiche 2 und 3 kann
auch eine serielle Polarisation dahingehend erfolgen, dass beispielsweise
zunächst eine
Polarisationsspannung UaB an die Arbeitselektroden 4 des
piezo-elektrisch aktiven Bereiches 2 für eine Polarisation desselben
in Längsrichtung
angelegt wird, wobei anschließend
die Arbeitselektroden 4 miteinander verbunden und vorzugsweise
kurzgeschlossen werden, sodass im Folgenden der aktive Bereich 2 keine
weitere Polarisation erfährt.
Dieser Bereich behält
allerdings seine remanente Polarisation bei.
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Anschließend wird
beispielsweise an die Stirnseite des Piezoaktors 1, d.
h. an die freie Stirnfläche
des piezo-elektrisch
inaktiven Endbereiches 3 eine geeignete elektrische Polarisationsspannung UEB derart angelegt, dass der inaktive Endbereich 3 ebenfalls
eine Polarisation PEB in Längsrichtung
des Piezoaktors 1 erfährt,
wie in 3 durch den mit PEB bezeichneten
Pfeil schematisch angegeben ist. Die Polarisationsspannung UEB beträgt
beispielsweise 2 kV/mm, d. h. in etwa 1 kV bei einem 0,5 mm dicken Endbereich 3.
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Vorzugsweise
erfolgt die Polarisation des Piezoaktors 1 nach einem Einbau
desselben in einer geeigneten Vorspanneinrichtung, welche beispielsweise
als Rohrfeder ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine geeignete
Spannung UEB an die Einspannflächen 5 der
Vorspanneinrichtung angelegt werden, wobei diese in diesem Fall
die äußeren Polarisationselektroden
bilden. Wie oben bereits erwähnt,
werden die Arbeitselektroden 4 vorteilhaft miteinander
verbunden und kurzgeschlossen, sodass insgesamt zwischen der obersten
Arbeitselektrode und der oberen Einspannfläche sowie zwischen der untersten
Arbeitselektrode und der unteren Einspannfläche eine geeignete Polarisationsspannung
UEB für
eine Polarisation PEB des piezo-elektrisch inaktiven
Endbereiches 3 in Längsrichtung
des Piezoaktors 1 angelegt ist.
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Eine
derartige Polarisation PEB des inaktiven Endbereiches 3 bewirkt
aufgrund der remanenten Polarisation eine dauerhafte Querkontraktion
des inaktiven Endbereiches 3, sodass der Ausdehnungsunterschied
aufgrund der remanenten Polarisation zwischen dem aktiven Bereich 2 und
dem inaktiven Endbereich 3 verringert wird. Dadurch werden
die mechanischen Spannungen zwischen den Bereichen 2 und 3 insbesondere
im Übergangsbereich
ebenfalls derart reduziert, dass kritische mechanische Spannungen
zum Ausbilden von unerwünschten
Rissen nicht weiter erreicht werden können. Dadurch werden die Lebensdauer
und die Zuverlässigkeit
des gesamten Piezoaktors 1 erhöht.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
auch zusätzliche
Polarisationselektroden an die Stirnseiten des Piezoaktors 1 für eine Polarisation
des piezo-elektrisch inaktiven Endbereiches 3 vorgesehen werden.
Allerdings ist eine Verwendung der Einspannflächen der Vorspanneinrichtung
vorteilhaft, da zusätzliche
Komponenten entfallen.
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Bei
einer Vorspannung und einer mechanischen Kraftbeaufschlagung des
Piezoaktors in Längsrichtung über beispielsweise
die Rohrfeder, wie in 4 durch den mit F bezeichneten
Pfeil schematisch dargestellt ist, werden Domänen insbesondere in dem an
die Krafteinwirkung angrenzenden Bereich derart umgeschaltet, dass
dieser Bereich vorzugsweise Domänen
mit einer Polarisation PEB2 in Querrichtung
aufweist, wie in 4 illustriert ist. Somit weist
der piezo-elektrisch inaktive Endbereich 3 im oberen Bereich
im wesentlichen eine Polarisation PEB2 auf,
welche sich von einer Polarisation PEB1 in Längsrichtung
des Piezoaktors 1 in dem Bereich, welcher an den aktiven
Bereich 2 angrenzt, zu einer Polarisation PEB2 in
Querrichtung in dem Bereich schrittweise übergeht, welcher an die Einspannfläche 5 der
Rohrfeder angrenzt. Aufgrund dieses geringen Polarisationsgradienten
können
keine größeren mechanischen
Spannungen auftreten, sodass Rissbildungen auch im mechanisch beaufschlagten
Zustand des Piezoaktors 1 weiterhin verhindert werden können.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird für eine Verringerung des remanenten
Ausdehnungsunterschiedes zwischen dem piezo-elektrisch aktiven Bereich 2 und
dem piezo-elektrisch inaktiven Endbereich 3 letzterer mit
einem Material ausgebildet, welches in dem rhomboedrischen Bereich
des Phasendiagramms liegt. Derartige ferro-elastisch weiche Materialien
besitzen eine äußerst geringe
remanente Polarisation, sodass sie sich durch ferro-elastisches Umschalten
der Domänen
leicht an mechanische und/oder elektrische Einwirkungen anpassen
können.
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Somit
bewirken die mechanischen Spannungen aufgrund von Ausdehnungsunterschieden
zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem inaktiven Endbereich 3 ein
Umschalten der Domänen
in dem Bereich des Endbereichs 3, der an den piezo-elektrisch aktiven
Bereich 2 angrenzt. Folglich weist dieser Bereich vornehmlich
eine an die Polarisation PaB des aktiven
Bereiches 2 angepasste Polarisation PEB1 in Längsrichtung
des Piezoaktors 1 auf, wie in 5 schematisch
dargestellt ist.
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Selbst
bei einer mechanischen Krafteinwirkung bei einer Vorspannung in
einer Rohrfeder, wie durch den mit F bezeichneten Pfeil in 5 angedeutet
ist, ergibt sich immer noch ein Übergangsbereich,
in welchem der Polarisationsvektor PEB1 von
einer Ausrichtung in Längsrichtung
des Piezoaktors 1 nahe dem aktiven Bereich 2 in
eine quer ausgerichtete Polarisation PEB2 nahe
der Stirnfläche
des Piezoaktors 1 übergeht.
Somit wird auch in diesem Fall ein geringer Querkontraktionsgradient
gewährleistet. Folglich
werden wiederum die mechanischen Spannungen aufgrund der remanenten
Ausdehnungsunterschiede zwischen den beiden Bereichen 2 und 3 derart
verringert, dass diese nicht weiter für eine schädliche Rissbildung genügen.
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Es
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass die oben erläuterten Ausführungsbeispiele
beliebig miteinander kombiniert werden können, um insgesamt die Querkontraktion
des inaktiven Bereiches an die Querkontraktion des aktiven Bereiches zumindest
im Übergangsbereich
zwischen diesen beiden Bereichen zu verringern bzw. zu minimieren.