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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen vollaktiven Piezoaktor, insbesondere
einen Vielschichtaktor, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Die
Piezoaktoren oder Stacks werden als Multilayer ausgelegt, um die
erforderliche Betriebsfeldstärke
von 2 kV/mm in einer kostengünstigen Systemumgebung
(Ansteuerquellen, Verkabelung) realisieren zu können. Für die üblicherweise benutzten Piezoaktoren
mit einer Keramikschichtdicke von 80 μm ist z. B. eine Ansteuerspannung
von 160 V erforderlich.
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Die
Nutzung von Mehrlagenstrukturen hat eine Reihe von Nachteilen, insbesondere
im Hinblick auf die Bauteilzuverlässigkeit. Nach dem Stand der Technik
werden die Innenelektroden wechselweise an der Bauteiloberfläche mit
Hilfe einer Sammelelektrode zusammengeschlossen und dann über zwei Zuleitungen
mit der Ansteuerquelle verbunden.
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Zur
Vermeidung von Kurzschlüssen
wird die Innenmetallisierung der gegenpoligen Innenelektrode im
Bereich der Sammelelektrode nicht bis an die Oberfläche heraus
geführt,
d. h. sie bedecken nur einen Teil der Fläche der angrenzenden piezoelektrischen
Keramikschicht. Infolgedessen entsteht ein inaktiver Bereich im
Stack, der starke Gradienten des elektrischen Feldes und damit auch
der mechanischen Spannungen im Bauteil nach sich zieht. Die Hersteller
von Multilayer-Aktoren haben spezielle Designlösungen entwickelt, die einen
zuverlässigen Betrieb
der Piezoaktoren mit inaktiven Bereichen bis 109 Zyklen
zulassen.
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Die
Anforderungen aus der Systemsicht werden jedoch nicht zufrieden
stellend erfüllt.
Zunächst sind
die teilflächigen
In nenelektroden Ursache für Risse
im Bauteil, die prinzipiell nicht vermieden werden können. Nach
der Polarisierung des Piezoaktors liegt eine Anfangsschädigung vor,
die Auslöser
für ein
mechanisches Versagen bei hoher Zyklenzahl ist. Der Zusammenschluss
aller gleichpoligen Elektroden schließt die individuelle Ansteuerung
einzelner Keramiklagen aus. Damit bestehen keine Möglichkeiten,
Strategien für
eine Homogenisierung der mechanischen und elektrischen Belastungen
im Stack, für eine
Einführung
eines Health Monitorings bzw. einer Überwachung der piezoelektrischen
Schichten auf Funktionstüchtigkeit
oder das individuelle Abschalten fehlerhafter Schichten unter Betriebsbedingungen umzusetzen.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Beschränkung der Miniaturisierung,
da bei einer Querschnittsverkleinerung des Stacks der relative Anteil des
passiven Volumens wächst
und damit die Leistungsfähigkeit
des Aktors sinkt.
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Es
ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, einen im Vergleich
zum Stand der Technik verbesserten Piezoaktor bereit zu stellen.
Es ist ein weiteres Problem der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren
für einen
solchen Piezoaktor zu liefern.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Das
obige Problem wird durch einen vollaktiven Piezoaktor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 und durch ein Herstellungsverfahren für diesen vollaktiven Piezoaktor
gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des Piezoaktors und
seines Herstellungsverfahrens gehen aus der folgenden Beschreibung,
den Zeichnungen und den anhängenden
Patentansprüchen
hervor.
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Der
vollaktive Piezoaktor, insbesondere ein Vielschichtaktor, weist
die folgenden Merkmale auf: eine Mehrzahl von piezoelektrischen
Keramikschichten, deren senkrecht zu einer Stapelrichtung des Piezoaktors
orientierte gegenüberliegende
Seiten durch vollflächige
Innenelektroden bedeckt sind, eine Mehrzahl von Kontaktierungen
auf mindestens einer Seitenflä che
des Piezoaktors parallel zur Stapelrichtung, die derart angeordnet
sind, dass jede Innenelektrode über
jeweils eine Kontaktierung elektrisch verbindbar ist und/oder dass
Gruppen von zusammen geschlossenen Innenelektroden über jeweils eine
Kontaktierung elektrisch verbindbar sind.
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Der
erfindungsgemäße Piezoaktor
wird durch eine Multilayer-Struktur
aus piezoelektrischen Schichten und Innenelektroden ohne inaktive
Kontaktierungszonen gebildet. Zu diesem Zweck sind die Innenelektroden
vollflächig
auf die senkrecht zur Stapelrichtung des Piezoaktors angeordneten
Seitenflächen
der piezokeramischen Schichten aufgebracht. Um eine sichere Ansteuerung
des Piezoaktors zu gewährleisten,
wird jede Innenelektrode individuell mit Hilfe einer Kontaktierung
elektrisch angeschlossen. Auf dieser technischen Grundlage sind
die einzelnen piezoelektrischen Schichten des vollaktiven Piezoaktors
individuell ansteuerbar, jeweils als Sensor innerhalb des Piezoaktors
verwendbar, in ihrer Funktion zu- und abschaltbar und gezielt regulierbar,
um Lebensdauer und Leistungsfähigkeit
des Piezoaktors zu optimieren. Es ist ebenfalls bevorzugt, Gruppen von
zusammen geschlossenen Innenelektroden über jeweils eine Kontaktierung
elektrisch anzusteuern. In Abhängigkeit
von der Kontaktierung der Innenelektroden sind dadurch die Schichten
des Piezoaktors individuell oder eine Anzahl der Schichten individuell und
eine andere Anzahl in Gruppen oder nur in verschiedenen Gruppen
ansteuerbar.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung bestehen die Kontaktierungen aus elektrischen
Zuleitungen zu den einzelnen Innenelektroden oder jeweils ein Kontaktierungspad
ist auf jede Innenelektrode aufgebracht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird über
einen Leadframe und eine Mehrzahl von Kontaktbrücken die Mehrzahl von Kontaktierungen
auf der mindestens einen Seitenfläche des Piezoaktors elektrisch
verbunden. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Kontaktierungen über diesen Leadframe
individuell ansteuerbar sind. Die Nutzung eines Leadframes in Verbindung
mit dem vollaktiven Piezoaktor schafft eine konstruktive Möglichkeit,
die Mehrzahl an Innenelektroden ohne Nutzung einer gemeinsamen Außenmetallisierung
des Piezoaktors elektrisch anzuschließen. Zudem schafft der Leadframe
die Voraussetzung, dass nicht nur eine gruppenweise Ansteuerung
von Innenelektroden sondern tatsächlich
eine individuelle Ansteuerung jeder Innenelektrode im vollaktiven
Piezoaktor möglich
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfasst der Leadframe Auswerte- und/oder Ansteuerelektronik für mindestens
eine Funktion des Piezoaktors.
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
des vollaktiven Piezoaktors umfasst die folgenden Schritte: a) Verbinden
einer Mehrzahl piezoelektrischer Keramikschichten zu einem Stapel,
in dem senkrecht zu einer Stapelrichtung des Stapels orientierte
gegenüberliegende
Seiten der piezoelektrischen Keramikschichten durch vollflächige Innenelektroden
bedeckt sind, b) Bestimmen einer jeweiligen Position der Innenelektroden
auf mindestens einer Seitenfläche
des Stapels, die parallel zu dessen Stapelrichtung orientiert ist,
und c) Aufbringen jeweils einer Kontaktierung pro Innenelektrode
auf eine der Seitenflächen
des Stapels, so dass die Kontaktierung und die jeweils eine Innenelektrode
elektrisch miteinander verbunden sind.
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4. Detaillierte Beschreibung der begleitenden
Zeichnung
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des vollaktiven
Piezoaktors mit rechteckigem Querschnitt,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung entlang einer Innenelektrode des
Piezoaktors gemäß 1,
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3 eine
schematische Darstellung des Piezoaktors aus 1 mit Leadframe
und angeschlossener Elektronik gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
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4 eine
schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des vollaktiven
Piezoaktors mit rundem Querschnitt,
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5 eine
schematische Schnittdarstellung entlang einer Innenelektrode des
Piezoaktors aus 4,
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6 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des vollaktiven
Piezoaktors.
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5. Detaillierte Beschreibung bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
Erfindung offenbart einen vollaktiven Piezoaktor 1, vorzugsweise
einen Vielschichtaktor, wie er schematisch in einer Seitenansicht
in 1 gezeigt ist. Der Piezoaktor 1 umfasst
eine Mehrzahl von piezokeramischen Schichten 10, die übereinander
zu einem Stapel oder Stack mit einer Stapelrichtung 50 angeordnet
sind. Gemäß einer
Ausführungsform weist
der Piezoaktor 1 an seinem oberen und unteren Ende gesehen
in Stapelrichtung 50 inaktive Deckpakete (nicht gezeigt)
auf. Die Stirnseiten der piezokeramischen Schichten 10 quer
zur Stapelrichtung 50 sind jeweils vollflächig durch
Innenelektroden 20 bedeckt. Die Innenelektroden 20 reichen
jeweils bis an die Seitenflächen
des Stacks, die parallel zur Stapelrichtung 50 angeordnet
sind. Dies ist durch die Striche mit dem Bezugszeichen 20 in 1 angedeutet. Basierend
auf dieser Anordnung ergibt sich ein vollaktiver Piezoaktor ohne
inaktive Bereiche, die Bereiche hoher mechanischer und elektrischer
Belastungen des Piezoaktors 1 darstellen würden.
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Um
die Mehrzahl der oben genannten piezoelektrischen Keramikschichten 10 zu
einem Stapel mit vollflächigen
Innenelektro den 20 zu verbinden, wird auf gängige im
Stand der Technik bekannte Herstellungsverfahren für Piezoaktoren
zurückgegriffen. Diese
Herstellungsverfahren liefern einen Piezoaktor 1 mit rechteckiger
Querschnittsfläche,
wie er beispielgebend in den 1 und 2 dargestellt
ist. Es ist ebenfalls denkbar, Piezoaktoren 1 mit rundem Querschnitt
gemäß den Ausführungsformen
in den 4 und 5 herzustellen. Als weitere
Alternativen sind die Querschnitte von Piezoaktoren 1 sechs- oder achteckig ausgebildet.
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Jede
der Innenelektroden 20 weist eine individuelle Kontaktierung
bzw. einen individuellen elektrischen Anschluss an eine Steuer-,
Auswerte- und Leistungselektronik auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
ist jeweils eine Mehrzahl von Innenelektroden zu einer Gruppe zusammen
geschlossen, die dann über
eine Gruppen spezifische Kontaktierung angeschlossen/angesteuert
wird. Auf diese Weise werden Piezoaktoren mit nur individuell kontaktierten
Schichten oder mit individuelle kontaktierten Schichten und Gruppen
von Schichten oder nur mit individuelle kontaktierten Gruppen von
Schichten hergestellt. Die Kontaktierung wird gemäß einer
Ausführungsform
direkt durch Verbinden eines geeigneten Kontaktierungsmittels 70 mit
den einzelnen Innenelektroden 20 hergestellt. Kontaktierungsmittel 70 umfassen
beispielsweise Bonddraht, Metall-Litze und/oder
elektrisch leitende Polymere.
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Neben
oder anstelle der direkten Kontaktierung der Innenelektrode 20 wird
jeweils ein Kontaktierungspad 30 auf die zu kontaktierende
Innenelektrode 20 aufgebracht. Kontaktierungspads 30 weisen in
Anpassung an die Größe des Piezoaktors 1 beispielsweise
eine Fläche
von 20 × 20 μm2 auf. Ihre Fläche ist zudem derart angepasst,
dass ein Kontaktierungspad 30 jeweils nur eine Innenelektrode 20 in einem
dafür vorgesehenen
Teilbereich überlappt.
Außerdem
ist die Fläche
und Anordnung des Kontaktierungspads 30 im Hinblick auf
benachbarte Innenelektroden 20 oder benachbarte Kontaktierungspads 20 derart
gewählt,
dass elektrische Überschläge verhindert
sind.
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Kontaktierungspads 30 und
somit die mit ihnen elektrisch in Verbindung stehenden Innenelektroden 20 werden
dann ebenfalls über
die oben genannten Kontaktierungsmittel 70 elektrisch mit
der bereits genannten Elektronik verbunden. Das direkte elektrische
Verbinden der Innenelektrode 20 oder das Verbinden der
Innenelektrode 20 über
das jeweilige Kontaktierungspad 30 erfolgt mittels unterschiedlicher
Verfahren. Zu diesen Verfahren zählen
das bekannte Bonden, Löten,
Schweißen
und/oder Kleben.
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Die
Anforderungen für
die Lagegenauigkeit der Kontaktierungen der Innenelektroden 20 richten sich
nach den Dimensionen der piezokeramischen Schichten 10 und
der dazwischen liegenden Innenelektroden 20. In einer Ausführungsform
weisen beispielsweise die Innenelektroden eine Dicke von 80 ± 5 μm auf, während die
Innelektroden 20 2 μm
dick sind. Um eine ausreichende Lebensdauer des Piezoaktors 1 bereit
zu stellen, müssen
zudem die Kontaktierungen ausreichend zuverlässig aufgebaut sein. Funktionsbedingt
erfährt
der Piezoaktor 1 unter Betriebsbedingungen eine Längsdehnung,
so dass die Kontaktierungen dauerfest ausgelegt werden müssen.
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Unter
Beachtung der oben genannten Randbedingungen wird eine Einzelkontaktierung
der Innenelektroden 20 mit Hilfe der folgenden Schritte durchgeführt. Zunächst detektiert
man die Lage der Innenelektroden 20 an der Seitenfläche des
Piezoaktors 1, die parallel zur Stapelrichtung 50 angeordnet sind.
Diese Detektion wird mit Hilfe optischer, physikalischer oder chemischer
Verfahren durchgeführt. Nachdem
die Lage der Innenelektroden 20 bekannt ist, wird jeweils
ein Kontaktierungspad 30 pro Innenelektrode 20 mit
Hilfe von Siebdruck, Dispensen, PVD (Physical Vapour Deposition
= physikalische Gasphasenabscheidung), CVD (Chemical Vapour Deposition
= chemische Gasphasenabscheidung) oder ähnlichen geeigneten Verfahren
aufgebracht. Eine weitere Alternative besteht darin, anstelle der Kontaktierungspads 30 Kontaktierungsmittel 70 direkt
mit den einzelnen Innenelektroden 20 zu verbinden. Wird
die Kontaktierung über
Kontaktierungspads 30 realisiert, erfolgt ab schließend noch
ein Zuführen
und Anbinden eines geeigneten Kontaktierungsmittels 70 an
das jeweilige Kontaktierungspad 30.
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Um
eine effiziente und Platz sparende elektrische Verbindung zu den
einzelnen Innenelektroden herzustellen, wird ein aus der Halbleiterindustrie
bekannter Leadframe 60 bereitgestellt. Dieses ist exemplarisch
in den 2, 3, 5 und 6 dargestellt.
Der Leadframe 60 besteht bevorzugt aus einem strukturierten,
also Leiterbahnen enthaltenden, Metallrahmen mit definierten elektrischen
Verbindungen zu den Innenelektroden 20. Eine weitere Alternative
des Leadframes 60 besteht darin, ihn ähnlich einer aus der Mikroelektronik
bekannten Leiterplatte zu konstruieren.
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Die
elektrischen Verbindungen zwischen Innenelektrode 20 und
Leadframe 60 werden über
die oben genannten Kontaktierungsmittel 70 oder andere
geeignete Kontaktbrücken
hergestellt. In den 2 und 5 ist eine
Alternative des Leadframes 60 gezeigt, der angrenzend an
den Piezoaktor 1 angeordnet ist. Eine weitere Ausführungsform
des Leadframes 60 geht aus 6 hervor,
in der der Leadframe 60 entfernt vom Piezoaktor 1 angeordnet ist.
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Wie
schematisch in 3 gezeigt ist, stellt der Leadframe 60 eine
elektrische Verbindung 80 zur Ansteuer-, Auswerte und Leistungselektronik
(nicht gezeigt) bereit. Ein Teil der Ansteuer- und Auswerteelektronik
ist bereits auf dem Leadframe 60 angeordnet, sofern die
räumlichen
Anforderungen an die gesamte Anordnung aus Piezoaktor 1 und
elektrischer Versorgung dies zulassen. Derartige Elektronik auf dem
Leadframe umfasst beispielsweise Chips, Transistoren, Schalter und ähnliche
elektronische Elemente zur Steuerung des Piezoaktors 1.
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Die
Ansteuer-, Auswerte- und Leistungselektronik realisiert basierend
auf der individuellen Ansteuerbarkeit jeder einzelnen Innenelektrode 20 makroskopische
Ansteuer- und Auswertefunktionen des Piezoaktors 1 nun
in einem mikroskopischen Rahmen. Während bisher nur die Ansteuerung
des gesamten Piezoaktors und die Auswertung seiner Signale oder
einer zusammengefassten Gruppe von piezoelektrischen Schichten 10 möglich war,
d. h. also Ansteuerung und Auswertung im makroskopischen Rahmen,
erfolgt dies nun für
einzelne piezoelektrische Schichten 10 des Piezoaktors 1,
d. h. Ansteuerung und Auswertung im mikroskopischen Rahmen.
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Die
oben genannte Elektronik realisiert folgende oder einen Teil der
folgenden Funktionen. Wie beispielsweise schematisch in den 3 und 6 gezeigt
ist, erfolgt eine Einzelansteuerung der piezokeramischen Schichten 10 des
Piezoaktors 1 über die
Einzelkontaktierungen der Innenelektroden 20. Auf Grundlage
der Einzelansteuerung ist die Darstellung komplexer Belastungsgradienten
im Piezoaktor 1 möglich.
Die piezokeramischen Schichten 10 werden selektiv im Piezoaktor 1 mit
unterschiedlichen elektrischen Feldstärken angesteuert, um beispielsweise
geringere mechanische Belastungen am Übergang von den aktiven piezokeramischen
Schichten 10 zum Deckpaket des Piezoaktors 1 zu
erzielen. Die in diesem Grenzbereich befindlichen piezokeramischen
Schichten 10 werden zu diesem Zweck beispielsweise mit
kleineren elektrischen Spannungen versorgt, als die piezokeramischen
Schichten 10, die sich weiter entfernt von der Deckplatte
des Piezoaktors 1 befinden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform werden
piezokeramische Schichten 10 zeitlich versetzt mit bestimmten
elektrischen Spannungen angesteuert, um auf diese Weise das Entstehen
und die Ausbreitung von Schockwellen im Piezoaktor 1 zu vermindern
oder zu verhindern.
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Des
Weiteren realisiert die individuelle Ansteuerung der Innenelektroden 20 eine
Vereinheitlichung des Belastungsniveaus der einzelnen piezokeramischen
Schichten 10 im Piezoaktor 1. So werden beispielsweise
die Klemmungskräfte
am oberen und unteren Ende des Piezoaktors gesehen in Stapelrichtung 50 durch
die Ansteuerung einer unterschiedlich starken Dehnung in den einzelnen
piezokeramischen Schichten 10 kompensiert.
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Es
ist des Weiteren bevorzugt, mindestens eine piezokeramische Schicht
im Piezoaktor 1 als Sensorschicht zu nutzen. Während des
Betriebs des Piezoaktors 1 ist diese Sensorschicht mechanischen Belastungen
ausgesetzt, wodurch proportionale auswertbare elektrische Signale
in der Sensorschicht generiert werden, die über die Innenelektroden 20 auslesbar
und somit auswertbar sind. Auf diese Weise sind Risse erkennbar,
auf die durch gezielte Regulierung der Belastungsniveaus im Piezoaktor 1 Einfluss genommen
werden kann, so dass ein Versagen des Piezoaktors 1 oder
einzelner piezokeramischer Schichten 10 verhindert wird.
Des Weiteren können über die
Innenelektroden 20 elektrische Sollwerte der piezokeramischen
Schichten 10 gemessen werden, so dass beispielsweise ein
Abschalten einzelner Schichten bei Erkennen eines Fehlers möglich ist.
Es werden über
die Innenelektroden 20 beispielsweise Spannungs- und Stromsignale
ausgelesen, um die Kapazität
zu bestimmen, und es wird aus Kleinsignalkapazität und Verlustwinkel die Leitfähigkeit
der piezokeramischen Schichten 10 erfasst.
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Um
den Betrieb des Piezoaktors 1 trotz Abschaltung einzelner
Schichten 10 aufrecht zu erhalten, werden beispielsweise
die verbleibenden betriebsfähigen
piezokeramischen Schichten 10 mit einem größeren elektrischen
Feld betrieben, so dass das geforderte Dehnungsverhalten des Piezoaktors 1 erhalten
bleibt.
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Die
oben beschriebene Überwachung
der Funktionstüchtigkeit
der einzelnen piezokeramischen Schichten 10 wird auch als
Health Monitoring bezeichnet. Durch das gezielte Abschalten fehlerhafter Schichten 10 und
der Verteilung der Kraft-Weg-Generierung
auf die verbleibenden aktiven piezokeramischen Schichten 10 wird
die Lebensdauer des Piezoaktors 1 erhöht.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den vollaktiven Stackaufbau
ohne inaktive Kontaktierungszonen das aktive Volumen des Piezoaktors 1 und
damit die Leistungsdichte maximal vergrößert werden. Dies wirkt sich
vorteilhaft auf die Kosteneffizienz bei der Herstellung der Piezoaktoren 1 und
auf den später
benötigten
Bauraum zur Installation des Piezoaktors 1 aus. Mit anderen
Worten wird auf diese Weise die ständig zunehmende Miniaturisierung
beispielsweise im Kraftfahrzeugbau unterstützt.
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Ingesamt
lässt sich
durch das oben beschriebene konstruktive Konzept jede einzelne Keramiklage
individuell sensorisch erfassen und entsprechend elektrisch ansteuern.
Auf diese Weise ist die Möglichkeit
gegeben, die auftretenden mechanischen und elektrischen Belastungen
im Stack zu vergleichmäßigen, das
Health Monitoring durchzuführen
und das individuelle Herunterfahren bzw. Abschalten fehlerhafter
piezokeramischer Schichten 10 unter Betriebsbedingungen
des Piezoaktors 1 zu realisieren.
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Die
vorliegende Erfindung stellt damit einen entscheidenden Schlüssel für die Zuverlässigkeitserhöhung, die
Erhöhung
der Regelgenauigkeit sowie die Kontrollierbarkeit des Piezoaktors 1 als
Stellelement dar. Dies wird insbesondere durch die vollflächigen Innenelektroden
innerhalb des keramischen Multilayer-Bauteils 1 und die
Platz sparende Weiterkontaktierung über den Leadframe 60 gewährleistet.