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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Stapelaktor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Piezoaktoren
finden vielfältige
technische Anwendung, beispielsweise zur Mikropositionierung, als
Drucksensor oder in Mikrostoßantrieben.
Dabei existieren zwei grundsätzlich
unterschiedliche Aufbauformen – zum
einen so genannte Multilayeraktoren und zum anderen Stapelaktoren.
Multilayeraktoren weisen sehr dünne
Schichtdicken auf und können daher
mit geringsten Spannungen betrieben werden. Im Gegensatz dazu werden
Stapelaktoren mit höherer
Spannung betrieben und bestehen aus Piezokeramikscheiben bzw. -ringen,
die aufeinander gestapelt sind. Zwischen den piezokeramischen Elementen
befinden sich Elektrodenscheiben mit in Stapelrichtung alternierender
Polung. Üblicherweise
werden die gestapelten Bauteile über
eine Spannschraube gestapelt und über ein Kopf- sowie ein Fußstück mit einer
Vorspannung in Stapelrichtung beaufschlagt.
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Bei
bekannten piezoelektrischen Stapelaktoren sind die Elektrodenscheiben
gleicher Polung einstückig
ausgebildet und bestehen aus einem gestanzten, dreidimensional gefalteten
Blech. Aufgrund der aufwendigen Montage sind derartig ausgebildete Stapelaktoren
für eine
Serienproduktion nicht geeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten
und leicht zu montierenden piezoelektrischen Stapelaktor vorzuschlagen.
Bevorzugt soll der piezoelektrische Stapelaktor für die Serienproduktion
geeignet sein.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Piezoaktor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten
Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die jeweiligen Elektrodenscheiben
gleicher Polung nicht wie im Stand der Technik einteilig, sondern
als voneinander separate Bauteile auszubilden und einerseits die
negativ zu polenden Elektrodenscheiben mit einer von den Elektrodenscheiben
separaten Sammelelektrode und andererseits die positiv zu polenden
Elektrodenscheiben mit einer von den Elektrodenscheiben separaten
Sammelelektrode elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Anders
ausgedrückt
sind bevorzugt insgesamt zwei Sammelelektroden, eine für die negativ
zu polenden Elektrodenscheiben und eine andere für die positiv zu polenden Elektrodenscheiben
vorgesehen, wobei die Sammelelektroden mit den entsprechenden Elektrodenscheiben
elektrisch leitend verbunden sind. Durch die Verbindung der jeweils
gleich gepolten bzw. zu polenden Elektrodenscheiben über eine Sammelelektrode
kann auf den im Stand der Technik notwendigen Faltvorgang, der eine
Serienfertigung erschwert, verzichtet werden. Besonders bevorzugt ist
es dabei, wenn die Elektrodenscheiben als Metallbleche, insbesondere
als Metallringbleche, ausgebildet sind.
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Im
Hinblick auf die Ausbildung der zum Einsatz kommenden Sammelelektroden
gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.
Besonders bevorzugt handelt es sich um metallische Sammelelektroden aus
Draht oder um Blechstreifen, wobei die Sammelelektroden nach dem
alternierenden Stapeln der Piezokörper und der Elektrodenscheibe
an den Elektrodenscheiben festgelegt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Sammelelektroden in Bereichen zwischen zwei über die Sammelelektrode elektrisch
leitend miteinander verbundenen Elektrodenscheiben so lang bemessen
sind, dass durch eine Längendehnung
des Stapelaktors die Sammelelektroden nicht zerstört werden,
insbesondere nicht zerreißen.
Hierzu können
die Sammelelektroden zwischen jeweils zwei elektrisch miteinander
verbundenen Elektrodenscheiben beispielsweise in der Art einer Schlaufe
bzw. Schleife, also bogenförmig,
an geordnet werden und somit einen Materialvorrat zum Ausgleich von
Längendehnungen
bilden.
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Anders
ausgedrückt
ist eine insgesamt mäanderförmige Ausbildung
bzw. Anordnung der Sammelelektroden von Vorteil.
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Im
Hinblick auf die konkrete Art und Weise der Festlegung der Sammelelektroden
an den jeweils gleich gepolten Elektrodenscheiben gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten.
Gemäß einer
ersten Alternative können
die Sammelelektroden unter Wärmeeinfluss
mit den Elektrodenscheiben verlötet
oder vorzugsweise verschweißt
werden. Im Fall der Realisierung einer Schweißverbindung ist es bevorzugt, wenn
die Sammelelektroden mit nach außen vorstehenden Fähnchen der
Elektroden platten verschweißt
sind.
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Gegenüber einer
zuvor beschriebenen Heiß-Kontaktiertechnik,
bei der die Sammelelektroden mit den Elektrodenscheiben verlötet oder
verschweißt
werden, ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der die Sammelelektroden mittels kalter Kontaktiertechnik
mit den Elektrodenscheiben verbunden sind bzw. werden. Hierdurch
kann die Montage des Stapelaktors weiter vereinfacht und es können negative
Temperatureinflüsse
vermieden werden.
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Ganz
besonders bevorzugt ist dabei eine Weiterbildung der Erfindung,
nach der die kalte Kontaktiertechnik derart realisiert ist, dass
die Sammelelektroden mit den Elektrodenscheiben über eine Art Gleitkontakte
in Verbindung stehen, also derart, dass sich die Elektrodenscheiben
entlang den Sammelelektroden relativ zu diesen bei Bestromung des
Stapelaktors verstellen können,
um ein Reißen
der Sammelelektroden zu verhindern. Auch bei einer derartigen Ausführungsform
ist es vorteilhaft, die Sammelelektroden jeweils in einem Bereich
zwischen zwei miteinander kontaktierten Elektrodenscheiben mit einer ausreichenden
Längenerstreckung
zu versehen, um Längendehnungen
(zusätzlich)
ausgleichen zu können.
Auf diese Weise kann an den Reibkontaktstellen bzw. Gleitkontaktstellen
zwischen den Sammelelektroden und den kontaktierten Elektrodenscheiben Reibkorrosion
zumindest weitgehend vermieden werden.
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Eine
Möglichkeit
zur Ausbildung einer kalten Kontaktierungstechnik besteht darin,
die Sammelelektroden an den Elektrodenscheiben zu klemmen. Bevorzugt
umfassen die Elektrodenscheiben hierzu entsprechende Klemmmittel,
insbeson dere ein Klemmmaul bildende Klemmarme, die die Sammelelektroden
mit einer Vorspannkraft beaufschlagen und dadurch halten.
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Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn die Klemmverbindungen als Schneidklemmverbindungen
ausgebildet sind, um nicht nur eine reibschlüssige, sondern zusätzlich eine
formschlüssige
Verbindung zu den Sammelelektroden herstellen zu können. Bevorzugt
werden die Sammelelektroden zum Festlegen der Sammelelektroden an
den Elektrodenscheiben in entsprechende, vorzugsweise einstückig mit
den Elektrodenscheiben ausgebildete, Schneidklemmen eingelegt bzw.
eingepresst.
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Um
die realisierten Klemmverbindungen, insbesondere Schneidklemmverbindungen
zusätzlich
zu stabilisieren, kann es vorteilhaft sein, im Bereich der Verbindungsstellen
zwischen den Sammelelektroden und den Elektrodenscheiben eine Schutzschicht,
insbesondere einen Lack und/oder einen Klebstoff, aufzubringen.
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Insbesondere
für den
Fall, dass die Sammelelektroden mit Hilfe von Schneidklemmverbindungen an
den Elektrodenscheiben festgelegt werden, kann es vorteilhaft sein,
als Sammelelektroden elektrisch isolierte, beispielsweise kunststoffummantelte
Drähte
vorzusehen, wobei die elektrische Isolierung lokal beim Festlegen
der Sammelelektroden an den Elektrodenscheiben zerstört wird,
um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Sammelelektroden und
den Elektrodenscheiben zu garantieren.
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Insbesondere
für den
Fall der Ausbildung der Sammelelektroden als Drähte, ist es von Vorteil, wenn
diese einen runden oder polygonen, insbesondere rechteckigen, Querschnitt
aufweisen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel sowie anhand
der Zeichnungen.
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Diese
zeigen in:
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1a in
einer ausschnittsweisen, perspektivischen Darstellung einen piezoelektrischen
Stapelaktor,
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1b und 1c zwei
identisch ausgebildete, unterschiedlich gedreht angeordnete sowie
unterschiedlich polbare, als metallisches Ringblech ausgebildete,
Elektrodenscheiben,
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2 den
Aufbau eines piezoelektrischen Stapelaktors in einer schematisierten
Darstellung, wobei die Sammelelektroden mit den Elektrodenscheiben über kalte
Kontaktiertechnik verbunden sind,
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3a eine
schematische Darstellung eines alternativen piezoelektrischen Stapelaktors,
bei dem die drahtförmigen
Sammelelektroden mit den Elektrodenscheiben verschweißt sind,
und
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3b und 3c unterschiedliche
Ansichten einer bei dem Stapelaktor gemäß 3a zum Einsatz
kommenden Elektrodenscheibe.
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1a ist
ein piezoelektrischer Stapelaktor 1 gezeigt. Dieser umfasst
einen Aktuatorkopf 2 und einen Aktuatorfuß 3,
zwischen denen eine Anzahl von Piezokörpern (Piezokristalle) 4 verspannt sind.
Oberhalb des in der Zeichnungsebene obersten Piezokörpers 4,
unterhalb des in der Zeichnungsebene untersten Piezokörpers 4 sowie
zwischen jeweils zwei in eine Stapelrichtung S benachbarten Piezokörpern 4 befindet
sich jeweils eine als Ringblech ausgebildete Elektrodenscheibe 5,
wobei die Elektrodenscheiben 5 unterteilt werden können in
eine erste Gruppe 6 von gleich gepolten Elektrodenscheiben 5 sowie
in eine zweite Gruppe von gleich gepolten, jedoch unterschiedlich
von der ersten Gruppe 6 gepolten Elektrodenscheiben 5.
Dabei sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
gemäß 1a die
Elektrodenscheiben 5 der ersten Gruppe 6 mit einem
positiven elektrischen Potential und die Elektrodenscheiben 5 der
zweiten Gruppe 7 mit einem negativen elektrischen Potential
beaufschlagbar, oder umgekehrt. Durch Anlegen einer Spannung an
die erste und zweite Gruppe 6, 7 kann in an sich
bekannter Weise eine Streckung des Stapelaktors 1 in Stapelrichtung
S erzielt werden.
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Wie
sich weiter aus 1a ergibt, sind die Elektrodenscheiben 5 jeder
Gruppe 6, 7 über
jeweils eine Sammelelektrode 8, 9, die in dem
gezeigten Ausführungsbeispiel
jeweils als Runddraht ausgebildet ist, elektrisch leitend miteinander
verbunden. Dabei ist die elektrisch leitende Verbindung zwischen den
Sammelelektroden 8, 9 und der zugehörigen Gruppe 6, 7 von
Elektrodenscheiben 5 durch kalte Kontaktiertechnik (Verbindungstechnik),
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über Schneidklemmverbindungen 10 realisiert.
Jede Schneidklemmverbindung 10 umfasst zwei seitlich vorstehende
Klemmarme 11 (vgl. 1b und 1c),
zwischen denen eine Sammelelektrode 8, 9 klemmend
aufgenommen ist. Beim Einklipsen der drahtartigen Sammelelektroden 8, 9 in
die von den Klemmarmen 11 gebildeten Schneidklemmen ritzen
letztere die Sammelelektroden 8, 9 ein und verbinden
sich somit formschlüssig mit
diesen.
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In
den 1b und 1c sind
zwei bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1a zum
Einsatz kommende Elektrodenscheiben 5 in unterschiedlichen
Umfangspositionen gezeigt. Dabei handelt es sich bei der in 1b gezeigten
Elektrodenscheibe 5 um eine Elektrodenscheibe 5 der
zweiten Gruppe 7 von Elektrodenscheiben 5 und
bei der in 1c gezeigten Elektrodenscheibe 5 um
eine Elektrodenscheibe 5 der ersten Gruppe 6 von
Elektrodenscheiben 5. Zu erkennen ist, dass die Elektrodenscheiben 5 gemäß den 1b und 1c identisch
ausgebildet sind. Die fähnchenartig
angeordneten Klemmarme 11 des Klemmmechanismus befinden
sich jedoch an einer unterschiedlichen Umfangsposition. Anders ausgedrückt sind
die Elektrodenscheiben 5 der unterschiedlichen Gruppen 6, 7 zwar
identisch, jedoch in Umfangsrichtung verdreht angeordnet, wobei
die Klemmschneiden der Elektrodenscheibe 5 jeder Gruppe 6, 7 in
Stapelrichtung S fluchtend angeordnet sind.
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Wie
sich weiter aus den 1b und 1c ergibt,
weisen die Elektrodenscheiben 5 ein zentrisches Durchgangsloch
auf. Durch dieses ist bei dem fertig montierten Stapelaktor 1 eine
in 1a nicht zu erkennende Spannschraube geführt über die
die Elektrodenscheiben 5 sowie die ebenfalls eine zentrische
Durchgangsöffnung
aufweisenden Piezokörper 4 gegeneinander
verspannt sind.
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2 zeigt
schematisch den Aufbau eines Stapelaktors 1 mit einer Anzahl
von kreisscheibenförmigen
Piezokörpern 4 sowie
mit zwei Gruppen 6, 7 von jeweils gleich gepolten
Elektrodenscheiben 5. Wie sich aus 2 ergibt,
sind die Elektrodenscheiben 5 in Stapelrichtung S alternierend
gepolt, d. h. jeweils zwei in Stapelrichtung S nebeneinander angeordnete
Elektrodenscheiben 5 sind unterschiedlich gepolt, wobei
die gleich gepolten Elektrodenscheiben 5 jeweils eine Gruppe 6, 7 von
Elektrodenscheiben bilden. Die Elektrodenscheiben 5 jeder
Gruppe 6, 7 von Elektrodenscheiben 5 ist
wiederum über
jeweils eine Sammelelektrode 8, 9 elektrisch leitend
miteinander verbunden, wobei die Sammelelektroden 8, 9 in
kalter Verbindungstechnik, hier mittels jeweils einer Klemmverbindung
mit jeweils einer Elektrodenscheibe 5 der entsprechenden
Gruppe 6, 7 verbunden sind. Wie sich insbesondere
aus 2 ergibt, sind die Sammelelektroden 8, 9 mäanderförmig angeordnet,
so dass die Sammelelektroden 8, 9 jeweils in einem
Bereich zwischen zwei elektrisch miteinander kontaktierten Elektrodenscheiben 5 eine
ausreichende Längenerstreckung
aufweist, um Längendehnungen
des Stapelaktors 1 bei Spannungsbeaufschlagung ausgleichen
zu können
bzw. um die Kontaktstellen zwischen den Sammelelektroden 8, 9 und den
Elektrodenscheiben 5 zu schonen.
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In 3a ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines Stapelaktors 1 gezeigt. Der Aufbau unterscheidet
sich von den zuvor beschriebenen Aufbauten dadurch, dass die Sammelelektroden 8, 9 nicht
durch kalte Verbindungstechnik mit den Elektrodenscheiben 5 einer
Gruppe 6, 7 von Elektrodenscheiben verbunden sind,
sondern durch Verschweißen.
Um auf überraschend
einfache Weise ein Verschweißen
der Sammelelektroden 8, 9 mit den zugehörigen Elektrodenscheiben 5 bzw.
mit den gleich zu polenden Elektrodenscheiben 5 zu ermöglichen,
weisen die Elektrodenscheiben 5, wie aus den unterschiedlichen
Ansichten gemäß den 3b und 3c ersichtlich
ist, seitlich vorstehende Fähnchen 12 auf,
die aus der Scheibenebene heraus in Stapelrichtung S umgebogen sind,
um somit jeweils eine Fixierfläche 13 zum
Anschweißen
der zugehörigen Sammelelektrode 8, 9 zu
bilden.