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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, wie er als Stellglied beispielsweise
in Einspritzeinrichtungen für
Brennkraftmaschinen verwendet werden kann.
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Stand
der Technik
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Die
Erfindung geht von einem Piezoaktor aus, wie er aus der Offenlegungsschrift
DE 199 28 189 A1 bekannt
ist. Ein solcher Piezoaktor weist eine Vielzahl von piezoaktiven
Schichten auf, zwischen denen jeweils eine metallische Innenelektrode
angeordnet ist, so dass ein Vielschichtaktor gebildet wird. Die
Innenelektroden sind wechselseitig an die Oberfläche geführt und dort in elektrischem
Kontakt mit einer metallischen Beschichtung, die jeweils auf einem Teil
der Oberfläche
des Piezoaktors aufgebracht ist. Grundsätzlich würde es genügen, eine geeignete elektrische
Spannung an diese metallische Beschichtung des Piezoaktors anzulegen,
um so eine elektrische Spannung zwischen den Innenelektroden zu
erzeugen und damit ein elektrisches Feld. Dieses veranlasst die
piezoaktiven Schichten dazu, ihre Dicke zu ändern, so dass sich insgesamt
eine Längenänderung
des Piezoaktors ergibt.
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Durch
die Längenänderung
des Piezoaktors ergibt sich jedoch auch eine Dehnung der metallischen
Beschichtung, die in der Regel so groß ist, dass die metallische
Beschichtung keine ausreichende Elastizität aufweist, um dieser Bewegung
zu folgen. Die Folge sind Risse in der metallischen Beschichtung,
was die elektrische Leitfähigkeit
der metallischen Beschichtung unterbrechen kann und damit auch die
elektrische Kontaktierung der Innenelektroden. Um dies zu vermeiden,
ist auf die metallische Beschichtung eine Netzelektrode aufgebracht,
die aus miteinander verwebten Metallfäden gebildet ist. Diese netzartige
Außenelektrode
ist mit der metallischen Beschichtung elektrisch verbunden, beispielsweise
durch Löten
oder Schweißen.
Die Netzelektrode weist aufgrund ihrer Struktur eine wesentlich
höhere
Elastizität
auf, so dass sie der Bewegung des Piezoaktors in der Regel folgen
kann. Die elektrische Spannung wird nun über die netzartige Anschlusselektrode
eingeleitet und von dort in die metallische Beschichtung, über die
letztendlich die Innenelektroden elektrisch kontaktiert werden.
Durch die netzartige Anschlusselektrode soll die gesamte metallische Beschichtung
stets mit der elektrischen Spannung versorgt werden, auch dann,
wenn die metallische Beschichtung Risse aufweist.
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Diese
Funktion erfüllt
die netzartige Außenelektrode
jedoch nicht immer: Dadurch, dass sie mit der metallischen Beschichtung
verlötet
ist, büßt sie einen
Teil ihrer Flexibilität
ein. Dadurch kann die Außenelektrode
einreißen,
so dass eine ausreichende Spannungsversorgung durch die Außenelektrode nicht
mehr gegeben ist. Damit werde nicht alle Innenelektroden mit der
angelegten Spannung versorgt, so dass mit der Lebensdauer eine zunehmende
Zahl von piezoaktiven Schichten nicht mehr zum Hub des Piezoaktors
beiträgt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Piezoaktor
weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass eine elektrische Kontaktierung sämtlicher
Innenelektroden über
die gesamte Lebensdauer des Piezoaktors sichergestellt ist. Hierzu
ist die Außenelektrode
flexibel netz- oder blechartig ausgebildet und nur auf einem Teil
ihrer Fläche
mit der metallischen Beschichtung kontaktiert. Der nicht kontaktierte
Bereich behält
damit seine volle Flexibilität,
so dass die elektrische Spannung stets optimal in die metallische
Beschichtung eingeleitet werden kann, auch wenn die Außenelektrode im
kontaktierten Bereich einreißt.
Die Spannungsversorgung erfolgt in diesem Fall über den verbleibenden Teil
der Außenelektrode,
der unbeeinflusst vom Hub des Piezoaktors ist.
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In
vorteilhafter Weise ist die Anschlusselektrode aus einem metallischen
Draht netzartig gefertigt und mit der metallischen Beschichtung
verlötet.
Um die Kosten zu minimieren, lässt
sich die Anschlusselektrode in vorteilhafter Weise in einer flachen,
einfachen Rechteckform herstellen, die so zwei Seitenflächen aufweist,
wobei die Anschlusselektrode nur mit einer Teilfläche einer
der Seitenflächen
mit der metallischen Beschichtung kontaktiert ist.
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In
vorteilhafter Weise ist die drahtnetzförmige Anschlusselektrode gefaltet
ausgebildet, so dass sich ein Doppelnetz ergibt. Hierdurch liegt
ein Teil der drahtnetzförmigen
Anschlusselektrode auf dem Teil der Anschlusselektrode auf, der
direkt mit der metallischen Beschichtung kontaktiert, also beispielsweise verlötet ist.
Der darüber
liegende Teil der Anschlusselektrode behält seine volle Flexibilität und sorgt
dafür,
dass die elektrische Spannung über
den darunter liegenden Teil der Anschlusselektrode stets gleichmäßig in die
metallische Beschichtung eingebracht wird. Besonders vorteilhaft
ist hierbei, wenn die Anschlusselektrode eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist,
so dass der Teil, der mit der metallischen Beschichtung kontaktiert
ist, eine noch höhere
Flexibilität
erhält.
Das Einreißen
der Anschlusselektrode wird dadurch deutlich erschwert, während die
elektrische Spannung über
die Doppelelektrode weiterhin eingeleitet werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anschlusselektrode
so geformt, dass der nicht kontaktierte Bereich der Anschlusselektrode
einen Abstand zur Oberfläche
des Piezoaktors aufweist. Dies ist eine kostengünstige Alternative zu der gefalteten
Anschlusselektrode. Abweichend dazu kann die drahtnetzförmige Anschlusselektrode
auch flach ausgebildet sein, während
der Teil der Oberfläche des
Piezoaktors, der nicht mit der Anschlusselektrode kontaktiert werden
soll, zurückgesetzt
ist. Auch hierdurch ergibt sich ein Abstand zwischen dem Nicht-Kontaktbereich
der Anschlusselektrode und der Oberfläche des Piezoaktors, wobei
dieser nicht kontaktierte Bereich der Anschlusselektrode die gewünschte Flexibilität aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die drahtnetzförmige Anschlusselektrode
zwei streifenförmige
Bereiche auf, die mit der metallischen Beschichtung kontaktiert
sind, während
der dazwischen liegende Bereich der Anschlusselektrode einen Abstand
zur Oberfläche
des Piezoaktors aufweist und nicht mit der metallischen Beschichtung verbunden
ist. Dieser Bereich mit einem Abstand zur Oberfläche des Piezoaktors weist die
gewünschte Flexibilität auf, während die
kontaktierten Bereiche zur Einleitung der Spannung in die metallische
Beschichtung und damit in die Elektroden dient.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Bereich der Anschlusselektrode gefaltet
ausgebildet ist, in dem die Zuleitung kontaktiert ist, so dass dort
ein Doppelnetz gebildet wird. Diese Lösung bietet sich vor allem
an, wenn die Anschlusselektrode selbst entweder flach oder nur leicht
geformt ausgebildet ist.
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Besonders
vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Anschlusselektroden, wenn
der Piezoaktor aus mehreren Teilaktoren so zusammengesetzt ist,
da hier aufgrund des großen
Hubes ein ständiger
Kontakt zwischen der Anschlusselektrode und der metallischen Beschichtung
erschwert ist. Vorzugsweise befinden sich die Ausnehmungen, die
in der drahtnetzförmigen
Anschlusselektrode vorhanden sein können, in dem Bereich, in dem
die Teilaktoren aneinander anliegen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anschlusselektrode
aus dünnem
Blech ausgebildet, wobei auch hier nur ein Teil einer der beiden Seitenflächen mit
der metallischen Beschichtung kontaktiert ist. Der nicht kontaktierte
Bereich der Blechelektrode ist beispielsweise auf den kontaktierten Bereich
gefaltet, so dass sich die Anschlusselektrode platzsparend ausbilden
lässt.
Das Blech muss entsprechend dünn
und damit flexibel ausgebildet sein, damit die gewünschte Flexibilität erreicht
wird.
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Die
Faltung der Blechelektrode kann entsprechend der Faltung der netzartigen
Anschlusselektrode vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung
kann es auch vorgesehen sein, dass die Blechelektrode mehrfach gefaltet
ist, um eine noch höhere
Elastizität
zu erreichen bei gleichzeitig sehr kompakter Bauform.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind mehrer Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Piezoaktors
dargestellt. Es zeigt
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1 einen
bereits aus dem Stand der Technik bekannten Piezoaktor,
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2 einen
erfindungsgemäßen Piezoaktor und
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3 die
dazu notwendige Anschlusselektrode im aufgefalteten Zustand,
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4 in
einer Seitenansicht einen weiteren erfindungsgemäßen Piezoaktor,
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5 und
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6 jeweils
Querschnitte durch den Piezoaktor nach 4 verschiedener
Ausführungsbeispiele,
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7 einen
weiteren erfindungsgemäßen Piezoaktor
in einer Seitenansicht,
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8 ausschnitthaft
einen Querschnitt des Piezoaktors nach 7 im Bereich
des doppelten Netzes, dem die Zuleitung kontaktiert ist,
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9 und
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10 jeweils
Querschnitte durch den Piezoaktor nach 7 verschiedener
Ausführungsbeispiele,
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11 eine
Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Piezoaktors mit blechartiger
Anschlusselektrode,
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12 und
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13 jeweils
Querschnitte durch einen Piezoaktor nach 11.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
einen aus dem Stand der Technik bekannten Piezoaktor, der eine Vielzahl
von piezoaktiven Schichten 1 aufweist, zwischen denen jeweils eine
Innenelektrode 3 angeordnet ist, so dass ein Vielschichtaktor
gebildet wird. Die Innenelektroden 3 sind aus einem metallischen
Material gefertigt und wechselseitig an die Oberfläche des
Piezoaktors geführt,
so dass ein Teil der Innenelektroden 3 bis an die Seitenfläche 7 und
der andere Teil der Innenelektroden 3 bis an die gegenüberliegende
Seitenfläche 7' reicht. Auf
den Seitenflächen 7, 7' ist eine metallische
Beschichtung 9 aufgebracht, die in elektrischem Kontakt
mit jeweils der Hälfte
der Innenelektroden 3 steht. Auf der metallischen Beschichtung 9 ist
eine drahtnetzförmige
Anschlusselektrode 12 angeordnet, die mit der metallischen
Beschichtung 9 in elektrischem Kontakt steht, also beispielsweise
verlötet
ist. Die Anschlusselektroden 12, von denen eine gleichartige
Anschlusselektrode 12' auch
auf der metallischen Beschichtung der gegenüberliegenden Seite 7' angeordnet
ist, sind jeweils mit Zuleitungen 15, 15' elektrisch
verbunden. Wird eine geeignete elektrische Spannung an die Zuleitungen 15, 15' und damit auch
zwischen den Anschlusselektroden 12, 12' angelegt, so
ergibt sich über
die metallische Beschichtung 9 auch eine elektrische Spannung
zwischen den benachbarten Innenelektroden 3, so dass die
dazwischen liegende piezoaktive Schicht 1 vom elektrischen
Feld, das zwischen den Innenelektroden entsteht, durchsetzt ist.
Je nach Stärke
und Polarität
des elektrischen Feldes ändern
die piezoaktiven Schichten 1 ihre Dicke und damit der Piezoaktor
seine Länge.
Der Abstand zwischen den Stirnflächen 5, 5' vergrößert oder
verkleinert sich entsprechend, so dass der Piezoaktor als Steller,
oder – falls
von außen Kräfte auf
die Stirnflächen 5, 5' ausgeübt werden – auch als
Sensor verwendet werden kann.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Piezoaktor
dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit
halber der Schichtaufbau nicht nochmals dargestellt ist. Der Piezoaktor
besteht aus zwei Teilaktoren 2, 2', die an ihren Stirnseiten aneinander
anliegen. Auf die Seitenflächen 7, 7' ist jeweils
eine metallische Beschichtung 9 aufgebracht, die die Innenelektroden,
die in der 2 nicht dargestellt sind, kontaktieren.
Zur Einleitung der elektrischen Spannung in die metallische Beschichtung 9 ist
eine Anschlusselektrode 12 dargestellt, die auf der Seitenfläche 7 die
metallische Beschichtung 9 elektrisch kontaktiert. Die
Anschlusselektrode 12 ist aus einem gefalteten Drahtnetz
gebildet und weist einen Falz 13 auf, der parallel zur
Oberfläche
des Piezoaktors verläuft. 3 zeigt
das Drahtnetz der Anschlusselektrode 12 nochmals, hier allerdings
in aufgefaltetem Zustand. Das Drahtnetz weist eine vordere Seitenfläche 14 und
eine hintere Seitenfläche 14' auf. Wird das
Drahtnetz, wie in 3 durch Pfeile angedeutet, entlang
der Falzlinie 16 gefaltet, so entsteht der Falz 13 und
damit ein Doppelnetz, wobei die vordere Seitenfläche 14 die Außenseite
der Anschlusselektrode 12 bildet. Der der metallischen
Beschichtung zugewandte Teil der Anschlusselektrode 12 bildet
den Kontaktbereich 10, der durch Löten, Schweißen oder eine andere Technik
mit der metallischen Beschichtung 9 elektrisch kontaktiert
wird.
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Die
drahtnetzförmige
Anschlusselektrode 12 des Ausführungsbeispiels nach 2 und 3 weist
eine Ausnehmung 17 auf, durch die der Kontaktbereich 10 der
Anschlusselektrode 12 in zwei Teile unterteilt wird, wobei
der erste Teil mit dem ersten Teilaktor 2 und der zweite
Teil mit dem zweiten Teilaktor 2' elektrisch verbunden wird. Der übrige Teil
der Anschlusselektrode 12 bildet einen Nicht-Kontaktbereich 11,
der in dem Ausführungsbeispiel
nach 3 eine Breite a und eine Länge d aufweist. Dieser wird nicht
mit der metallischen Beschichtung verbunden und behält seine
volle Flexibilität. Über den
Falz 13 und auch durch direkten Kontakt zwischen dem Nichtkontaktbereich 11 und
dem Kontaktbereich 10 wird so stets die metallische Beschichtung 9 optimal mit
der Spannung versorgt. Die Breite des Kontaktbereichs 10,
in der 3 mit b bezeichnet, ist hierbei gleich oder größer als
die Breite a des Nicht-Kontaktbereichs 11. Die Länge der
durch die Ausnehmung 17 gebildeten Teile des Kontaktbereichs 10,
in der 3 mit c bezeichnet, richtet sich nach der Länge der
Teilaktoren 2, 2'.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Piezoaktors
in einer Seitenansicht dargestellt. Auf dem Piezoaktor ist eine netzartige
Anschlusselektrode 12 angebracht, die mit einer metallischen
Beschichtung 9 kontaktiert ist. Die Anschlusselektrode
bildet zwei Kontaktbereiche 10, 10', die streifenförmig ausgebildet und mit der
metallischen Beschichtung 9 verbunden sind. Die drahtnetzförmige Anschlusselektrode 12,
die flach ausgebildet ist und dadurch zwei Seitenflächen 14, 14' ausbildet,
ist somit nur auf einem Teil der Seitenfläche 14 mit der metallischen
Beschichtung 9 verbunden, die dem Piezoaktor zugewandt
ist. 5 zeigt dazu einen Querschnitt durch den Piezoaktor
nach 4, sodass der Aufbau und die Form der drahtnetzförmigen Anschlusselektrode 12 deutlich
wird.
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Die
beiden streifenförmigen
Kontaktbereiche 10, 10' der Anschlusselektrode 12 sind
mit der metallischen Beschichtung 9 verbunden. Der Teil
der Anschlusselektrode 12, der zwischen den streifenförmigen Kontaktbereichen 10, 10' liegt, ist
aufgewölbt ausgeführt, so
dass sich ein Abstand zwischen in diesem Bereich und der metallischen
Beschichtung 9 ergibt. Dieser Bereich der Anschlusselektrode 12 behält somit
seine volle Flexibilität,
so dass die elektrische Spannung in die gesamte Anschlusselektrode 12 und
damit auch in die gesamte metallische Beschichtung 9 eingeleitet
werden kann auch dann, wenn sich ein Teil der Anschlusselektrode
im Kontaktbereich 10, 10' von der metallischen Beschichtung 9 gelöst haben
sollte. Die in 5 gezeigt zweite Anschlusselektrode 12' ist identisch
aufgebaut zur Anschlusselektrode 12 und weist eine eben
solche Kontaktierung mit der metallischen Beschichtung 9 auf.
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Zur
Kontaktierung weist die Anschlusselektrode 12 nach 4 einen
Falz 13' auf,
so dass in dem Bereich, der in 4 unten
dargestellt ist, ein Doppelsieb 19 gebildet wird. Die Zuleitung 15 wird
an das Doppelsieb 19 kontaktiert, wobei durch das Doppelsieb 19 eine
gute Flexibilität
in diesem Bereich garantiert ist.
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In 6 ist
ein Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Piezoaktors
nach 4 gezeigt. Dieses unterscheidet sich von der Darstellung
nach 5 dadurch, dass die Innenelektrode 3 in
dem Bereich, in dem die Anschlusselektrode 12 einen Abstand
zur metallischen Beschichtung 9 und damit auch zur Oberfläche des
Piezoaktors aufweist, eine Ausnehmung 21 aufweist. Dadurch
wird sichergestellt, dass in diesem Bereich kein elektrischer Überschlag
stattfinden kann, der gegebenenfalls zu Beschädigungen der Anschlusselektrode
führen könnte.
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In 7 ist
ein weiterer erfindungsgemäßer Piezoaktor
dargestellt. Die Anschlusselektrode 12 ist als flaches
Drahtnetz ausgeführt,
das in einem Kontaktbereich 10 mit einer metallischen Beschichtung 9, die
auf die Oberfläche
des Piezoaktors aufgebracht ist, kontaktiert ist. Die Anschlusselektrode 12 weist somit
einen Kontaktbereich 10 und einen Nicht-Kontaktbereich 11 auf,
die als streifenförmige
Bereiche nebeneinander liegen. Der Nichtkontaktbereich 11 ist von
der Oberfläche
des Piezoaktors beabstandet, so dass er seine volle Flexibilität behält. Die
elektrische Spannung wird in die Anschlusselektrode 12 letztendlich über eine
Zuleitung 15 eingeleitet, die mit der Anschlusselektrode 12 in 7 im
unteren Bereich verbunden ist. In diesem Bereich weist die Anschlusselektrode 12 einen
Falz 13' auf,
so dass in diesem Bereich ein Doppelnetz 19 gebildet wird.
Die Zuleitung 15 ist im Bereich des Doppelnetzes 19 mit
der Anschlusselektrode 12 beispielsweise durch Löten oder
Schweißen
verbunden. 8 zeigt in einem Querschnitt
noch einmal den Bereich des Doppelnetzes 19, die Lage des
Falzes 13' und
auch die Lage der Zuleitung 15.
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Um
die Flexibilität
des Nicht-Kontaktbereichs 11 zu erhalten, muss dieser von
der Oberfläche
des Piezoaktors beabstandet sein. 9 zeigt
hierzu einen Querschnitt durch den Piezoaktor nach 7, wobei
in diesem Ausführungsbeispiel
die Anschlusselektrode 12 stufenförmig im Querschnitt ausgebildet ist,
so dass der Nicht-Kontaktbereich 11 einen Abstand h zur
Oberfläche
des Piezoaktors aufweist. Eine alternative Ausgestaltung ist in 10 dargestellt,
wo die Anschlusselektrode 12 als flaches Drahtnetz ausgebildet
ist. Die Beabstandung zur Oberfläche
des Piezoaktors wird durch eine Stufe 22 im Piezoaktor selbst bewirkt,
so dass sich auch hier ein Abstand h ergibt. Zur Fixierung der Außenelektrode 12 sowohl
in 9 als auch in 10 kann
es vorgesehen sein, die Anschlusselektrode 12 mit einer
Umspritzung 24 zu versehen, die diese in ihrer Lage stabilisiert.
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11 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Piezoaktors,
wobei nur eine Anschlusselektrode 12'' gezeigt
ist. Die Anschlusselektrode 12'' ist
aus einem dünnen
Metallblech gefertigt, das ebenso wie die drahtnetzförmige Anschlusselektrode
zwei Seitenflächen 114 und 114' aufweist. Die
Anschlusselektrode 12'' ist auf einem Teil
ihrer Seitenfläche 114 mit
der metallischen Beschichtung verbunden, beispielsweise durch Löten. Der
nicht kontaktierte Teil des Blechs ist durch Bildung eines Falzes 13'' zurückgebogen, so dass dieser parallel
zum kontaktierten Bereich ausgerichtet ist. 12 zeigt
dazu einen Querschnitt durch den in 11 dargestellten
Aktor. Dadurch wird eine Doppelelektrode gebildet, die analog zu
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine größere Flexibilität aufweist,
da der nicht kontaktierte Bereich der Anschlusselektrode 12'' den Belastungen durch den sich
ausdehnenden Aktor nicht ausgesetzt ist und damit über die
gesamte Lebensdauer intakt bleibt.
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Alternativ
kann es auch vorgesehen sein, das die Anschlusselektrode 12'' bildende Blech mehrfach zu falten,
um so eine noch größere Flexibilität zu erreichen
bei gleichzeitig kompakter Bauform. 13 zeigt
dazu einen Querschnitt durch eine solche Anschlusselektrode 12'', die zwei Falze 13'' aufweist. Die Zuleitungen 15, über die
die elektrische Spannung an die Anschlusselektroden 12'' angelegt wird, wird jeweils am
umgefalteten Bereich der Anschlusselektrode 12'' verbunden.