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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau aus Piezolagen und dazwischen angeordneten Elektrodenlagen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Piezoaktors, insbesondere für Verwendungen in mobilen technischen Einrichtungen wie Fahrzeugen und insbesondere Luftfahrzeugen.
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Ein Piezoaktor der hier interessierenden Art ist beispielsweise aus der
DE 199 28 177 A1 bekannt und umfasst eine Vielzahl von in einem Stapel angeordneten Piezoelementen. Jedes dieser Elemente besteht aus einer hier als ”Piezolage” bezeichneten Schicht aus einem piezoelektrisch aktiven Material, die beiderseits mit Elektrodenlagen versehen ist.
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Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an diese typischerweise metallisch ausgebildeten Elektrodenlagen reagiert das piezoelektrisch aktive Material (typischerweise eine Piezokeramikschicht) mit einer Gitterverzerrung, die entlang einer in Stapellängsrichtung des Mehrschichtaufbaus orientierten Hauptachse zu einer nutzbaren Längenänderung führt (Piezoeffekt). Die damit praktisch realisierbare Dickenänderung jeder Piezolage ist sehr viel kleiner (Promillebereich) als die betreffende Piezolagendicke. Vor diesem Hintergrund trägt der Mehrschichtaufbau vorteilhaft dazu bei, für einen vorgegebenen Aktorhub die erforderliche Ansteuerspannung für den elektromechanischen Betrieb des Piezoaktors in praktisch gut handhabbaren Grenzen zu halten (typischerweise einige 100 V).
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Beim Betrieb eines derartigen Piezoaktors in einer feuchtigkeitsbehafteten Umgebung besteht die Gefahr von übermäßigen elektrischen Kriechströmen oder sogar von elektrischen Überschlägen, falls sich Wasser an oder in der Nähe von Oberflächen der Elektrodenlagen niederschlägt. insbesondere besteht diese Gefahr an den seitlichen Flächen des Mehrschichtaufbaus, an denen die Elektrodenlagen an die seitlichen Flächen des piezoelektrischen Körpers heranreichen oder heraustreten.
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Derartige Kriechströme führen zu elektrischen Verlusten und beeinflussen in unkontrollierbarer und somit sehr nachteiliger Weise die Ansteuercharakteristik beim elektromechanischen Betrieb des Piezoaktors.
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Aus dem Automobilbereich sind metallische Kapselungen von Piezoaktoren (in Kraftstoffinjektoren) bekannt, mit welchen auch ein gewisser Schutz des Piezoaktors vor Feuchtigkeit realisierbar ist. Problematisch an einer solchen Kapselung ist jedoch die Erzielung einer zuverlässigen Abdichtwirkung über längere Betriebszeiten. Außerdem wirkt eine solche möglichst hermetische Kapselung koritraproduktiv, wenn aus irgendeinem Grund bereits Feuchtigkeit in den Innenraum der Kapselung eingedrungen ist.
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Aus dem Dokument
JP 03082376 A , das als nächstliegender Stand der Technik angesehen werden kann, ist ein piezoelektrisches Element bekannt, bei dem das Ansammeln von Feuchtigkeit durch Heizen mittels einer Heizung vermieden wird. Aus dem Dokument
DE 69020629 T2 ist eine Heizung auf der Außenseite eines schichtartigen piezoelektrischen Elements bekannt. Aus der
DE 10 2007 029 393 A1 ist ein thermoelektrisches Bauelement bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Piezoaktor der eingangs genannten Art die Gefahr von Kriechströmen oder Überschlägen im Aktorbetrieb zu verringern. Diese Aufgabe wird bei einem erfindungsgemäßen Piezoaktor (Anspruch 1) durch eine Heizeinrichtung zum Heizen wenigstens eines Teils der seitlichen Flächen des Mehrschichtaufbaus gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Piezoaktors der eingangs genannten Art (Anspruch 6) ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise ein Heizbetrieb des Piezoaktors durchgeführt wird.
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Ein solcher Heizbetrieb kann z. B. vor einem elektromechanischen Betrieb des Piezoaktors durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Heizbetrieb während des elektromechanischen Betriebes vorgesehen sein.
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Durch das erfindungsgemäße Heizen kann vorteilhaft eine etwaig vorhandene Feuchte am Piezoaktor verringert werden. Die Gefahr von elektrischen Kriechströmen ist somit verringert bzw. beseitigt.
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Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heizeinrichtung elektrisch betreibbar, und hierfür beispielsweise als eine elektrische Widerstandsheizung ausgebildet.
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Insbesondere für eine als elektrische Widerstandsheizung betreibbare Heizeinrichtung kann vorgesehen sein, dass diese wenigstens eine seitlich am Mehrschichtaufbau angebrachte, flächig sich erstreckende Heizlage umfasst.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Heizlage eine über deren Fläche betrachtet im Wesentlichen gleichmäßige elektrische Leitfähigkeit besitzt und über zwei an unterschiedlichen Randbereichen der Heizlage vorgesehene Heizelektroden bestrombar ist. Alternativ kann eine flächig sich erstreckende Heizlage über deren Fläche betrachtet wenigstens einen langgestreckt verlaufenden Bereich mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit aufweisen, welcher von elektrisch isolierenden Bereichen begrenzt ist. Als langgestreckter Bereich (”Heizbahn”) kommt z. B. ein mäanderförmig verlaufender Bereich in Betracht.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer flächig ausgedehnten Erstreckung eines aktiven Heizbereiches einer Heizlage kann die Heizeinrichtung auch wenigstens eine seitlich am Mehrschichtaufbau z. B. auf einem flächigen Trägermaterial angebrachte, mäanderförmig sich erstreckende Heizbahn oder z. B. eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender Heizbahnen umfassen.
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Eine solche Heizbahn, oder die weiter oben erwähnte Heizlage, kann beispielsweise eine Kunststofffolie, gegebenenfalls mit dann eingelagerten elektrisch leitfähigen Partikeln, umfassen. Insbesondere kann eine elektrische Heizfolie bestehend aus einem elektrisch isolierenden Grundmaterial (z. B. Polymid oder Polyester) mit eingebetteten elektrisch leitfähigen Partikeln ausgebildet werden.
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Es versteht sich, dass die ”elektrische Leitfähigkeit” eines zum elektrischen Widerstandsheizen verwendeten Bereiches der Heizlage bzw. Heizbahn bevorzugt eher elektrisch ”schlecht leiten” sollte, um die für eine gewünschte Heizleistung erforderliche Stromstärke in praktikablen Grenzen zu halten.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Piezoaktoreinrichtung vorgesehen, welche einen Piezoaktor der oben beschriebenen Art sowie eine über elektrische Leitungen angeschlossene Umschalteinrichtung zum Umschalten zwischen einem elektromechanischen Betrieb und einem Heizbetrieb des Piezoaktors umfasst. Damit kann beispielsweise über eine nur 2-adrige elektrische Ansteuerleitung, die von einer Ansteuereinrichtung zu der Umschalteinrichtung der Piezoaktoreinrichtung verläuft, die elektrische Versorgung des Piezoaktors sowohl für dessen elektromechanischen Betrieb als auch dessen Heizbetrieb bewerkstelligt werden.
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Beim Betreiben eines erfindungsgemäßen Piezoaktors kann ein Heizbetrieb des Piezoaktors z. B. bereits vor einer elektromechanischen Ansteuerung des Piezoaktors (bzw. ”Inbetriebnahme” hierfür) durchgeführt werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist ein Heizen für wenigstens eine vorgegebene Zeitdauer vorgesehen. Diese Zeitdauer kann z. B. mit mindestens 10 Sekunden, insbesondere mit mindestens 20 Sekunden vorgegeben sein. Die für eine nennenswerte Reduzierung der Feuchte an der Aktoroberfläche erforderliche Heizdauer hängt selbstverständlich von der konkreten Konstruktion des Mehrschichtaufbaus und der Anordnung und Heizleistung der betreffenden Heizeinrichtung ab. Insofern können im konkreten Anwendungsfall auch andere Mindestheizbetriebszeiten sinnvoll sein.
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Alternativ oder zusätzlich können auch eine oder mehrere Heizperioden während des Einsatzes des Piezoaktors als elektromechanisches Stellglied vorgesehen sein, sei es während der aktiven elektromechanischen Ansteuerung des Piezoaktors durch Anlegen einer Spannung an den Elektrodenlagen oder während ”Betriebspausen” (zu denen keine Spannung an den Elektrodenlagen anliegt).
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Alternativ oder zusätzlich zu einem Heizbetrieb vor dem eigentlichen elektromechanischen Betrieb kann auch ein kontinuierlicher Heizbetrieb vorgesehen sein. Die Heizleistung eines solchen kontinuierlichen Heizbetriebes kann z. B. gegenüber der anfänglichen einmaligen Heizperiode (vor der elektromechanischen Inbetriebnahme) nennenswert verringert sein (z. B. um mindestens 50 %).
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Außerdem kann insbesondere die für einen kontinuierlichen Heizbetrieb vorgesehene Heizleistung von z. B. sensorisch ermittelten Betriebsparametern der betreffenden technischen Einrichtung abhängig vorgesehen werden, in welcher der Piezoaktor installiert ist.
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Insbesondere kann die Heizleistung in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur und/oder Umgebungsluftfeuchtigkeit eingestellt werden, um eine gewisse Anpassung der Heizleistung an den tatsächlichen Heizbedarf zu realisieren.
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Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann beispielsweise unter Verwendung einer Umschalteinrichtung der weiter oben erwähnten Art durchgeführt werden, um je nach Bedarf zwischen dem elektromechanischen Betrieb und dem Heizbetrieb des Piezoaktors umzuschalten. Der Umschaltvorgang kann z. B. durch ein hierfür der Umschalteinrichtung zugeführtes Umschaltsignal initiiert werden, welches z. B. auf Basis von sensorisch ermittelten Betriebsparametern generiert wird. Alternativ kann eine derartige automatische Umschaltung bei entsprechender Gestaltung der Umschalteinrichtung auch autonom durch diese Umschalteinrichtung realisiert sein, etwa indem diese als ein feuchteempfindlicher und/oder temperaturempfindlicher Umschalter ausgebildet wird. Insbesondere in diesem Fall ist eine bauliche Zusammenfassung der Umschalteinrichtung mit dem Piezoaktor bevorzugt.
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Bevorzugte Verwendungen des Piezoaktors bzw. des Betriebsverfahrens hierfür ergeben sich für mobile technische Einrichtungen, insbesondere in Fahrzeugen. Insbesondere in Luftfahrzeugen kann die Erfindung aufgrund der dort typischerweise stark variierenden Umgebungsbedingungen besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine schematische Darstellung eines Piezoaktors gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
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2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II in 1,
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3 eine schematische Darstellung eines Piezoaktors gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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4 eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV in 3, und
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5 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Verwendung einer Umschalteinrichtung in Verbindung mit einem Piezoaktor.
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1 zeigt einen Piezoaktor 10 mit einem Mehrschichtaufbau aus Piezolagen 12 und dazwischen angeordneten Elektrodenlagen 14.
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Mittels einer in 1 schematisiert eingezeichneten elektrischen Kontaktierung der einzelnen Elektrodenlagen 14 mit einem ersten elektrischen Anschluss 16 und einem zweiten elektrischen Anschluss 18 können die jeweils zwischen zwei benachbarten Elektrodenlagen 14 befindlichen Piezolagen 12 unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes durch Anlegen einer Spannung an den Anschlüssen 16, 18 in ihrer Dicke verändert (z. B. in Stapelrichtung ausgedehnt) werden. Durch geeignete Vorgabe der Ansteuerspannung, die typischerweise mehr als 100 V beträgt, fungiert der Piezoaktor 10 somit als elektromechanisches Stellglied. In 1 von oben nach unten betrachtet sind die Elektrodenlagen 14 abwechselnd zum Anschluss 16 und zum Anschluss 18 hin elektrisch kontaktiert.
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Um das bei einer Ansteuerung in den Piezolagen 12 in Stapelrichtung erzeugte elektrische Feld möglichst über die gesamte Querschnittsfläche der Piezolagen 12 vorzusehen, sollten die im Inneren des Mehrschichtaufbaus befindlichen Elektrodenlagen 14 möglichst bis zu den seitlichen Flächen des Mehrschichtaufbaus reichen. Dies gilt unabhängig von der konkreten Querschnittsgestaltung, die hier beispielhaft etwa quadratisch vorgesehen ist. Ebenfalls beispielhaft zu verstehen ist die in 1 dargestellte elektrische Kontaktierung der Anschlüsse 16, 18 an einander entgegengesetzten Seitenflächen. Alternativ können derartige Anschlüsse auch einander benachbart an einem gemeinsamen Seitenflächenbereich vorgesehen sein. Schließlich ist es auch denkbar, die elektrischen Anschlüsse nicht seitlich außerhalb der Querschnittsfläche des piezoelektrisch aktiven Stapels, sondern durch das Innere dieses Stapels verlaufend anzuordnen.
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Im elektromechanischen Betrieb des Piezoaktors 10 besteht insbesondere an denjenigen Steilen, an denen die Elektrodenlagen 14 an die Seitenflächen des piezoelektrischen Körpers heranreichen bzw. heraustreten, die Gefahr von feuchtigkeitsbedingten elektrischen Kriechströmen zwischen einander benachbarten Elektrodenlagen 14.
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Zur Vermeidung einer feuchtigkeitsbedingten Ansammlung von Wasser umfasst der Piezoaktor 10 eine Heizeinrichtung in Form einer Heizlage 20 zum Heizen wenigstens eines Teils der seitlichen Flächen des Piezoaktors 10.
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Der Einfachheit der Darstellung von 1 halber ist lediglich eine Heizlage 20 eingezeichnet, die sich über die im Wesentlichen gesamte Fläche einer der insgesamt vier rechteckigen Seitenflächen des quaderförmigen Mehrschichtaufbaus erstreckt. In der Praxis ist es bevorzugt, wenn die Heizlage 20 oder mehrere Heizlagen dieser Art sich über zumindest einen Großteil der Gesamtheit an Seitenflächen des Mehrschichtaufbaus erstrecken. Insbesondere können z. B. wenigstens 90% der Gesamtseitenfläche des Mehrschichtaufbaus von der oder den Heizlagen 20 besetzt sein.
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Die Heizlage 20 ist als eine über elektrische Heizanschlüsse 22 und 24 bestrombare elektrische Widerstandsheizung ausgebildet und z. B. durch eine Verklebung oder anderweitige Befestigungs- oder Beschichtungstechnik angebracht.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Heizlage 20 eine über deren Fläche betrachtet gleichmäßige elektrische Leitfähigkeit und ist über zwei (am oberen und unteren Randbereich) befindliche Heizelektroden 26, 28 bestrombar. Die Heizelektroden 26, 28 sind mit dem jeweiligen elektrischen Heizanschluss 22 bzw. 24 verbunden und z. B. aus einem metallischen Material gebildet, um einen möglichst niedrigen elektrischen Widerstand entlang ihrer jeweils länglichen Erstreckung vorzusehen. Demgegenüber ist der elektrische Widerstand eines zwischen den Heizelektroden 26, 208 befindlichen Heizungsbereiches 30 wesentlich größer, so dass im Ergebnis eine im Wesentlichen gleichmäßige elektrische Heizleistung über die Fläche der Heizlage 20 erzielt wird.
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2 ist eine Schnittansicht längs der Linie II-II in 1 und veranschaulicht nochmals den (in Stapelrichtung vorgesehenen) Verlauf des Heizungsbereiches 30 zwischen den beiden (orthogonal zur Stapelrichtung verlaufenden) Heizelektroden 26 und 28.
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Der Heizungsbereich 30 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Kunststofffolie (z. B. Polymid, Polyester oder dergleichen) mit darin gleichmäßig verteilt eingelagerten elektrisch halbleitenden Partikeln gebildet. Die durch diese Partikel geschaffene elektrische Leitfähigkeit der ansonsten elektrisch isolierenden Folie sollte möglichst nicht bis an die dem Mehrschichtaufbau zugewandte Folienoberfläche heranreichen. Um dies zuverlässig sicherzustellen, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein zweilagiger Folienaufbau mit einer zusätzlichen Isolationsfolie 32 vorgesehen. Die Isolationsfolie 32 kann z. B. aus demselben Material wie das Grundmaterial der Folie 30 bestehen, falls dieses Grundmaterial eine hinreichende elektrische Isolationswirkung besitzt.
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Alternativ oder zusätzlich zu der dargestellten Isolationsfolie 32 kann auch eine in den Figuren nicht dargestellte Klebstoffschicht für eine solche elektrische Isolation geeignet gewählt sein.
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Wie dargestellt sollte die elektrische Isolation auch für die an den oberen und unteren Folienrändern verlaufenden Heizelektroden 26, 28 wirken, zumindest wenn nicht z. B. durch eine exakte Anordnung der Heizlage 20 an der betreffenden Seitenfläche sichergestellt wird, dass die Heizelektroden 26 und 28 sich in einem ausreichenden Abstand zu den in den entsprechenden Bereichen angeordneten Elektrodenlagen 14 befinden.
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Insbesondere im Hinblick auf eine gewünschte elektrische Isolation der Heizelektroden 26, 28 kommt auch in Betracht, diese an der dem Mehrschichtaufbau abgewandten Folienoberfläche anzuordnen.
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Bei der folgenden Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele werden für analoge Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben ”a” bzw. ”b” zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 10a, der sich von dem oben beschriebenen Piezoaktor 10 lediglich hinsichtlich der Gestaltung einer Heizeinrichtung 20a unterscheidet.
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Anders als bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel besitzt die Heizeinrichtung 20a keine Heizlage mit einer über deren Fläche betrachtet gleichmäßigen elektrischen Leitfähigkeit, sondern ist als mäanderförmig-länglich sich erstreckende Heizbahn ausgebildet, welche an der dem Mehrschichtaufbau entgegengesetzten Oberfläche einer Isolationsfolie 32a ausgebildet (z. B. abgeschieden) ist.
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Die Heizbahn kann z. B. aus einem metallischen bzw. halbleitenden Material bestehen. Ausgedehnte, gut leitfähige Heizelektroden wie in 1 sind nicht erforderlich. Zur elektrischen Kontaktierung der Heizlage 20a vorgesehene Heizanschlüsse 22a und 24a sind wie in 3 dargestellt jeweils an einem der Enden der Mäanderbahn angebunden.
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4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV in 3.
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Wie für das oben mit Bezug auf die 1 und 2 bereits beschriebene Ausführungsbeispiel ist es auch für den Piezoaktor 10a gemäß der 3 und 4 in der Praxis bevorzugt, wenn die Heizlage 20a wenigstens einen Großteil der Gesamtseitenfläche des Piezoaktors 10a überdeckt.
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Mit den oben beschriebenen Piezoaktoren 10 bzw. 10a kann vorteilhaft eine hohe Betriebssicherheit auch in feuchtigkeitsbehafteten Installationsumgebungen gewährleistet werden. Etwaig vorhandene oder entstehende Feuchtigkeit kann durch einen Heizbetrieb jeweils vor und/oder während eines elektromechanischen Aktorbetriebs beseitigt werden.
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5 veranschaulicht eine Piezoaktoreinrichtung umfassend einen Piezoaktor 10b und eine Umschalteinrichtung 34b zum Umschalten zwischen einem elektromechanischen Betrieb und einem Heizbetrieb des Piezoaktors 10b.
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Die Umschalteinrichtung 34b ist über eine bevorzugt relativ kurze elektrische Leitungsanordnung 36b mit dem Piezoaktor 10b verbunden sowie über eine Leitungsanordnung 38b mit einer (nicht dargestellten) Ansteuereinheit verbunden, um diese Umschaltbarkeit wie dargestellt zu realisieren.
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Vorteilhaft kann damit eine zusätzliche, eigens für eine Heizeinrichtung 20b des Piezoaktors 10b vorgesehene Verkabelung (von der Ansteuereinheit bis zur Heizeinrichtung 20b) gespart werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Piezoaktor
- 12
- Piezolagen
- 14
- Elektrodenlagen
- 16, 18
- elektrische Anschlüsse
- 20
- Heizeinrichtung (Heizlage)
- 22, 24
- elektrische Heizanschlüsse
- 26, 28
- Heizelektroden
- 30
- Heizungsbereich
- 32
- Isolationsfolie
- 34
- Umschalteinrichtung
- 36
- Leitungsanordnung
- 38
- Leitungsanordnung
