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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Kontaktierung
von piezoelektrischen Vielschichtaktoren, umfassend innere Elektrodenschichten,
welche alternierend in elektrischer Verbindung mit seitlichen, äußeren Kontaktierungsstreifen stehen,
sowie jeweils mindestens einem, auf dem Kontaktierungsstreifen angeordneten
leiterartig strukturierten Formteil mit Lötstützpunkt für ein Anschlussmittel, wobei
das Formteil entlang seiner überwiegenden
oder gesamten Längsachsenlinie stoffschlüssig mit
dem Kontaktierungsstreifen verbunden ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Aus
der gattungsbildenden
DE
10 2005 015 405 B3 ist eine Anordnung zur elektrischen
Kontaktierung von piezoelektrischen Vielschicht-Stapelaktoren vorbekannt.
Die dortige Anordnung umfasst innere Elektrodenschichten, welche
alternierend in elektrischer Verbindung mit mindestens zwei seitlich
am Stapel befindlichen Terminationsstreifen stehen, sowie jeweils
mindestens einen, auf dem Terminationsstreifen angeordneten leiterartig
strukturierten Formteil mit Kontaktierungsstützpunkt für eine Anschlusslitze. Gemäß der dortigen
Erfindungslehre verjüngen sich
die Holme des leiterartig strukturierten Formteils, ausgehend von
einem Stromeinspeisungspunkt, in Längsrichtung des Aktorstapels,
wobei das Formteil bevorzugt entlang seiner überwiegenden oder gesamten
Längsachsenlinie
stoffschlüssig,
insbesondere durch Löten,
mit dem darunter befindlichen Terminationsstreifen verbunden ist.
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Bei
dieser Lösung
des Standes der Technik ist eine hohe Stromtragfähigkeit gegeben und es können unerwünschte mechanische
und/oder thermomechanische Spannungen minimiert werden. Auch besteht
die Möglichkeit, dass
bei der Polarisation oder im Betrieb auftretende Risse im Aktor überbrückt werden,
so dass die elektrische Kontaktierung und damit die Stromzuführung und
Funktionsfähigkeit
nicht in nachteiliger Weise beeinträchtigt sind.
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Zum
Stand der Technik gemäß
DE 196 48 545 A1 gehört die Ausbildung
einer Außenelektrode für einen
monolithischen Vielschichtaktor, wobei dort zur Vermeidung von Ausfällen des
Aktors bei dynamischen Belastungen vorgeschlagen ist, dass zwischen
der Grundmetallisierung und den Anschlusselementen eine dreidimensional
strukturierte, elektrisch leitende Elektrode vorzusehen ist, die über partielle
Kontaktstellen mit der Grundmetallisierung verbunden wird und welche
zwischen den Kontaktierungsstellen dehnbar ausgebildet ist. Durch
eine derartige Anordnung wird der Betriebsstrom des Aktors in Nebenströme aufgeteilt.
Die Nebenströme
fließen von
den Kontaktstellen über
die Grundmetallisierung zu den metallischen Innenelektroden. Derartige
dreidimensional strukturierte, elektrisch leitende, folienartige
Elektroden sind sowohl bei der Herstellung als auch bei der Verbindung
mit der Grundmetallisierung technologisch problematisch, kostenintensiv
und benötigen
einen großen
Querschnitt.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung einer Außenkontaktierung für Piezoaktoren
gemäß
DE 196 46 676 C1 besteht
die Aufgabe, die negativen Folgen auftretender Spannungsrisse in
der Kontaktierung zu vermeiden. Bei einem herkömmlichen Aktor sind außen am Stapel
zumindest zwei Metallisierungsstreifen zur alternierenden Kontaktierung
der Elektrodenschichten aufgebracht. Weiterhin sind die Metallisierungsstreifen
mit Kontaktfahnen verbunden, die eine elektrisch leitende Schicht
aufweisen. Die Verbindung ist leitend und erfolgt über die
gesamte Höhe der
zu kontaktierenden Elektrodenschichten derart, dass seitlich der
Metallisierungsstreifen ein überstehender
Bereich der Kontaktfahnen verbleibt. Diese Kontaktfahnen sollen
bevorzugt dünn,
aber reißfest ausgebildet
und vorzugsweise flexibel, aus Kunststoff ausgebildet sein. In dem
Fall, wenn während
der Polarisierung oder des Betriebs eines derartige Aktors Spannungsrisse
im Metallisierungsstreifen auftreten, werden diese Risse durch die
elektrisch leitende Schicht im überstehenden
Bereich der Kontaktfahne überbrückt. Eine
solche Kunststoffschicht ist jedoch für Anwendungen des Aktors im
Ultrahochvakuum aufgrund der Ausgasungsproblematik von Nachteil.
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Neben
liniengelöteten
Kontaktierungsstreifen, wie in der
DE 10 2005 015 405 B3 beschrieben, ist
auch eine punktgelötete
Ausführungsform
bei Stapelaktoren vorbekannt. Eine derartige punktgelötete Mäanderelektrode
ist in der
DE 102
34 787 C1 beschrieben.
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In
der
DE 10 2005
028 495 A1 wird ebenfalls eine Elektrode offenbart, die
sich in einem Wellenmuster entlang der Stapelrichtung eines mehrschichtigen
piezoelektrischen Elements erstreckt und eine flache Plattenform
aufweist. Die dargestellte Elektrode wird mittels Lötverbindungen
oder elektrisch leitender Kleberstellen punktuell mit einer ersten
externen Elektrode elektrisch und physikalisch verbunden, wobei
die erste externe Elektrode elektrisch mit vorbestimmten internen
Elektroden des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements verbunden
ist.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von piezoelektrischen Vielschichtaktoren
anzugeben, die mechanisch und elektrisch sehr zuverlässig ist
und die eine sehr schnelle Linienlötung bei erweitertem Einsatztemperaturbereich
und geringsten Querabmessungen ermöglicht. Die Anordnung soll
ein Design mit leicht anpassbarer Stromtragfähigkeit und Durchverbindbarkeit
der Einzelelektroden auch nach der Verklebung von Einzelstapeln
schaffen. Weiterhin gilt es, die erfindungsgemäße Anordnung so auszubilden,
dass diese auch für
den Einsatz von bleifreiem Lot mit höherem Schmelzpunkt und dadurch
größerer thermomechanischer
Dehnung nach dem Abkühlen
ebenso geeignet ist wie für
Aktoren mit höheren
induzierten Dehnungen.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Anordnung zur elektrischen
Kontaktierung gemäß der Merkmalskombination
nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen darstellen.
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Es
wird also von einer Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von
piezoelektrischen Vielschichtaktoren, umfassend innere Elektrodenschichten,
welche alternierend in elektrischer Verbindung mit seitlichen, äußeren Kontaktierungsstreifen
stehen, ausgegangen, wobei jeweils mindestens ein mit Leitersprossen
und seitlichen Holmen und auf dem Kontaktierungsstreifen angeordnetes
lei terartig strukturiertes Formteil mit Kontaktierungsstützpunkt für ein Anschlussmittel
vorgesehen ist. Das Formteil wird entlang seiner überwiegenden
oder gesamten Längsachse
stoffschlüssig
mit dem Kontaktierungsstreifen verbunden.
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Erfindungsgemäß weisen
die seitlichen Holme des leiterartig strukturierten Formteils wechselseitig
Unterbrechungsstellen derart auf, dass eine Mäanderstruktur entsteht.
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Jeder
der Mäanderabschnitte
umfasst mehrere Leitersprossen, wobei die Unterbrechungsstellen
entweder am Formteil bereits vorgesehen sind oder an vorgeformten
Sollbruchstellen gezielt durch thermomechanischen Stress oder bei
Dauerwechselbelastungen im Aktorbetrieb erzeugt werden können.
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Zum
Erhalt einer optimierten Stromtragfähigkeit ist die Dicke und/oder
die Breite der seitlichen Holme je nach Anzahl der Leitersprossen
je Mäanderabschnitt
erhöht.
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Zum
Zweck der Reduzierung der mechanischen Belastung der Holm-Sprossen-Übergänge ist die Dicke und/oder
Breite der seitlichen Holme, insbesondere im Bereich der Enden der
Holme je Mäanderabschnitt
reduzierbar.
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Bei
mehreren mit Kontaktierungsstreifen versehenen Vielschichtaktoren
in geklebter Längsstapelanordnung
können
gemeinsame Formteile, durch Löten
oder Ultraschallschweißen
an der Längsachsenlinie
mit den Kontaktierungsstreifen verbunden, vorgesehen sein.
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Die
stoffschlüssige
Verbindung verläuft
bevorzugt entlang der Längsachsenmittellinie
der jeweiligen Formteile, und zwar hier wiederum bevorzugt entlang
eines schmalen lateralen Streifens.
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Zum
Einstellen der Stromtragfähigkeit
ist die Anzahl der Leitersprossen je Mäanderabschnitt wählbar.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme einer Figur näher
erläutert
werden.
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Die 1a und 1b zeigen
hierbei zwei seitliche Ansichten eines piezoelektrischen Vielschichtaktors,
der mit dem erfindungsgemäßen liniengelöteten Mäander-Formteil
versehen ist.
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In
der 1c ist ein Mäander-Formteil
dargestellt, und zwar mit erkennbarer Breitenvarianz der Holme im
jeweiligen Mäanderabschnitt.
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Gemäß den 1a und 1b ist
sowohl auf der negativen als auch auf der positiven Terminationsseite
jeweils ein Kontaktierungsstreifen 2 vorgesehen. Auf dem
jeweiligen Kontaktierungsstreifen 2 ist das leiterartig
strukturierte Formteil 3 durch Linienverlötung aufgebracht.
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Die
seitlichen Holme des leiterartig strukturierten Formteils 3 weisen
wechselseitig Unterbrechungsstellen 4 derart auf, dass
eine Mäanderstruktur
entsteht.
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Jeder
Mäanderabschnitt
umfasst mehrere Leitersprossen 5, wobei die Unterbrechungsstellen entweder
am Formteil bereits vorgesehen sind oder an vorgeformten Sollbruchstellen
gezielt durch thermomechanischen Stress oder bei Dauerwechselbelastungen
im Aktorbetrieb erzeugt werden können.
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In
den figürlichen
Darstellungen ist weiterhin ersichtlich, dass die Breite der seitlichen
Holme variabel ausgeführt
ist, um zum einen eine optimierte Stromtragfähigkeit zu erreichen sowie
um zum anderen die mechanische Belastung der Holm-Sprossen-Übergänge zu verringern.
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Erfindungsgemäß werden,
wie bereits dargelegt, die Holme des Formteils in vorgebbaren Abständen wechselseitig
unterbrochen, so dass eine Mäanderstruktur
mit mehreren gleichzeitig querverlaufenden Sprossen je Mäanderabschnitt
oder Mäanderschwung
entsteht. Durch die Sprossen und die Holme wird der Versorgungsstrom
des Piezoaktors vom Punkt der Litzenanbindung (nicht gezeigt), z.
B. am unteren Aktorende bis in das oder die entfernten Enden mäanderförmig durch
den Kontaktierungsstreifen geführt
und über
die Linienlötung
in der Mitte der Sprossen an die Terminationsschicht und anschließend an
die Innenelektroden abgegeben.
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Risse,
die sich in der Linienlötung
und der Terminationsschicht während
des Aktorbetriebs ausbilden, sind auf diese Weise sicher überbrückt. Die
in den Sprossen querlaufenden Teilströme werden in den Holmsegmenten
wieder vereint und durch eine Verbindungsstelle in den nächsten Mäanderschwung geführt. Im
Bereich der Verbindungsstelle ist der Strom daher maximal.
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Um
eine gleichbleibend niedrige Stromdichte pro Mäanderschwung oder Mäanderabschnitt
und damit eine optimierte Stromtragfähigkeit des Kontaktierungsstreifens
zu gewährleisten,
kann der Holm an der Verbindungsstelle entsprechend dick ausgeprägt werden
bzw. seine Dicke kann entsprechend der Zahl der gemeinsamen, zulaufenden
Sprossen oder Teilströme
linear oder nach einer optimierten Funktion erhöht bzw. an den Enden der Holmabschnitte
verringert werden.
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Die
Stromtragfähigkeit
kann demnach durch laterale, aber auch dreidimensionale Varianzen
angepasst und eingestellt werden.
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Hierdurch
wird gleichzeitig die mechanische Belastung der Holm-Sprossen-Übergänge, die am weitesten von der
Verbindungsstelle weg liegen und die damit den größten Belastungen
ausgesetzt sind, reduziert und unterhalb des plastischen Verformungsbereichs
des verwendeten Werkstoffs gehalten, da die Biegelänge der
Sprossen durch die geringere Holmbreite bei konstanter Gesamtbreite
erhöht wird.
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Die
erforderliche Stromtragfähigkeit
des Kontaktierungsstreifens kann sowohl durch seine Gesamtdicke
als auch durch das Verhältnis
Anzahl der Sprossen pro querlaufender Mäanderschwingung sowie Holmbreite
und Gesamtbreite des Kontaktierungsstreifens angepasst werden. Eine
Erhöhung
der Dicke des Kontaktierungsstreifens erhöht nicht die mechanischen Spannungen
im Streifen selbst, sondern nur an der Linienlötung bzw. am Übergang
Sprosse-Innenelektrode. Die Stromtragfähigkeit steigt bei höherer Sprossenanzahl
pro Mäanderschwung,
wobei dann ein längerer
Holm bzw. breiterer Holm an der Verbindungsstelle erforderlich ist.
Hiermit geht auch eine Erhöhung
der Gesamtbreite des Streifens einher, um mechanische Spannungen
zu begrenzen.
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Hierbei
ist Letzteres nicht nachteilig, da nur breitere Stapel aufgrund
der größeren Querschnittsfläche der
Elektroden im Allgemeinen einen höheren Strombedarf haben bzw.
die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit schmalerer Stapel geringer
sind.
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Grundsätzlich ist
die vorgeschlagene Lehre unabhängig
von der Länge
des Aktors, wobei der maximal tragbare Strom durch die Stromdichte
in der bzw. den ersten Verbindungsstellen neben der Litzenanbindung
vorgegeben ist.
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Es
liegt im Sinne der Erfindung, einzelne Aktoren, die bereits mit
Kontaktierungsstreifen versehen sind, zu längeren Einheiten zu verkleben
und anschließend
durch aufgelötete
Kontaktierungsstreifen gleicher Form untereinander zu kontaktieren.
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Ebenfalls
im Sinne der Erfindung ist es, eine vollständige Trennung der Holme in
Teilstücke
nicht unmittelbar vor der Montage vorzunehmen, sondern dafür Sorge
zu tragen, dass die Trennung an vorgeformten Schwachstellen erst
während
der Montage durch thermomechanisches Überlasten oder im Betrieb durch
Dauerwechselbelastungen oberhalb der Wechselfestigkeit erfolgt.
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Das
Formteil ist als zweidimensional strukturiertes Metallfolienteil,
z. B. aus Kupfer-Beryllium, oberflächenveredeltem Edelstahl, oberflächenveredeltem
Invar oder Tantal im Bereich einer Dicke zwischen 20 μm und 500 μm herstellbar.
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Diese
Herstellung kann sehr preisgünstig durch Ätzen, Feinstanzen
oder Laserbearbeitung erfolgen.
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Die
Höhe der
Sprossen in axialer Richtung liegt bevorzugt im Bereich zwischen
50 μm und
200 μm.
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Die überwiegende
Anzahl der Sprossen ist in der Mitte der Struktur mit der Terminationsschicht verbunden,
und zwar durch den erwähnten
schmalen Lotstreifen in einem Lötprozess
bzw. durch einen Ultraschallschweißvorgang oder ähnliche
stoffschlüssige
Verbindungstechniken.
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Die
Anordnung selbst weist eine hohe Toleranz gegenüber Rissen an undefinierten
Positionen auf, d. h. zwischen den Sprossen können sich beliebige Risse bilden,
ohne dass die Funktionsfähigkeit der
Anordnung beeinträchtigt
ist.
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Aufgrund
der lateral schmalen Ausprägung der
Verbindung entstehen nur sehr geringe mechanischen Belastungen in
der Keramik.
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Dadurch,
dass die erfindungsgemäße Lösung rein
metallisch, d. h. ohne Polymerfolien oder dergleichen realisierbar
ist, können
derartig ausgebildete Aktoren auch in extremen Umgebungen, z. B.
im Ultrahochvakuum, bei Tieftemperatur, in aggressiver Umgebung
und so weiter eingesetzt werden. Letztendlich ist die erfindungsgemäße Anordnung
tolerant gegenüber
Fertigungsschwankungen bezogen auf die Höhe der Aktor-Einzelsegmente.
Durch die Linienlötung
oder Linien-Ultraschallschweißung
kann die Montagezeit verkürzt
und damit der Kostenfaktor bei der Aktorherstellung reduziert werden.
Durch die Wahl der Anzahl der Sprossen je Mäanderabschnitt und die mögliche Varianz
der Holmbreite ist ein Design mit leicht anpassbarer Stromtragfähigkeit
geschaffen. Im Vergleich zum Stand der Technik speziell zur Lehre
nach
DE 10 2005
015 405 B3 ist die Mäanderstruktur
von der Aktorlänge
unabhängig
und daher auch für
die Durchverbindung mehrerer verklebter Stapel geeignet.