DE102015003161A1

DE102015003161A1 - Piezoelemente für große Wege

Info

Publication number: DE102015003161A1
Application number: DE102015003161.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Piezoelementes aus polarisierbarem piezofähigem Material ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass zwei Schichten aus piezofähigem Material über eine innere Elektrode fest miteinander verbunden werden, dass die Schichten in eine wellige Form gebracht werden, wobei Schnittpunkte der inneren Elektrode mit einer fiktiven Mittellinie Grenzen definieren, dass die innere Elektrode zwischen unmittelbar benachbarten Grenzen nur auf einer Seite der fiktiven Mittellinie angeordnet wird und in den direkt angrenzenden Bereichen bis zur nächsten Grenze auf der anderen Seite der fiktiven Mittellinie angeordnet wird, dass zur Polarisierung der Schichten Elektroden angebracht werden, dass die Elektroden durch Streifen aus Isoliermaterial voneinander getrennt werden, dass die Elektroden in Bereichen auf der der fiktiven Mittellinie abgewandten Seite mit einem Pol einer Polarisierungs-Spannungs-Quelle und die Elektroden in Bereichen auf der der fiktiven Mittellinie zugewandten Seite mit dem anderen Pol der Polarisierungs-Spannungs-Quelle verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoelementes aus gießbarem, pressbarem oder prägbarem und polarisierbarem piezofähigem Material. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Piezoelement aus piezofähigem Material.
Stoffe mit Atomverbänden, bei denen der elektrisch positive und der elektrisch negative Schwerpunkt der Ladungen (von Protonen und Elektronen) nicht zusammenfallen und die mit Elektroden versehen sind, können durch eine an die Elektroden angelegte elektrische Spannung mechanisch verformt werden. Mechanisch verformt erzeugen sie eine elektrische Spannung an den Elektroden. Diese Stoffe können als natürliche Kristalle vorkommen, können aber auch in Form von Keramiken oder Piezofolien künstlich erzeugt werden. Bei den künstlich erzeugten Piezo-Werkstoffen ist eine Polarisation notwendig, das heißt die Atomverbände müssen durch eine von außen angelegte elektrische Spannung ausgerichtet werden. Dabei wird durch eine Umpolung der elektrischen Spannung die Polarisationsrichtung umgekehrt. Nach erfolgter Polarisation wird die Polarisierung fixiert und bleibt auch ohne Polarisierungsspannung erhalten.
Wenn an solchen polarisierten piezoelektrischen Stoffen über Elektroden eine elektrische Spannung in Polarisationsrichtung oder entgegengesetzt angelegt wird, antwortet der Stoff mit einer Streckung oder Stauchung und über die Querkontraktion erfolgt quer zu dieser Richtung eine Stauchung oder Streckung. Bei mechanischen Streckungen oder Stauchungen wird andererseits eine elektrische Spannung erzeugt. Hier soll nur die über eine Querkontraktion erzeugte Längenänderung ausgenutzt werden, wobei grundsätzlich noch andere Betriebsarten möglich sind.
Piezomaterialien können durch Gieß-, Präge- oder Pressvorgänge in die gewünschte Form gebracht werden. Dabei ist es wichtig, dass ohne großen Aufwand die Herstellungsform entfernt werden kann, so dass eine gute Ausformbarkeit besteht.
Bimetalle sind zusammengesetzt aus zwei Metallstreifen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei Temperaturänderungen ändert sich die Biegung des Bimetalls, dies kann zum Beispiel in elektrischen Thermostaten ausgenutzt werden. Hier werden zwei zusammengesetzte Streifen aus piezoelektrischem Material benutzt, wobei durch eine elektrische Spannung eine Änderung der Biegung erzeugt wird.
Piezoelektrische Vorgänge sind verbunden mit kleinen Wegen und großen Kräften. Beispielsweise ist aus der DE 10 2004 055 996 A1 ein Biegeaktuator bekannt, bei dem der Aktuatorantrieb durch einen in eine Richtung gekrümmten flächigen Träger ausgebildet ist. An einer flachen Seite des Trägers ist ein Piezoelement angeordnet, das flächig mit der flachen Seite des Trägers verbunden ist. Durch Anlegen einer Versorgungsspannung an das Piezoelement ändert sich die Länge dieser Seite des Trägers relativ zur anderen flachen Seite des Trägers. Der Träger ist an der anderen flachen Seite vollflächig bzw. bereichsweise streifenförmig gehärtet. Durch den verstärkten Träger sollen größere Kräfte aufgebracht bzw. übertragen werden können. Durch eine geringfügige Längenänderung des Piezoelements ist eine relativ große Krümmung des Trägers erzielbar.
Piezobauteile sind gut geeignet, um große Kräfte bei dazugehörigen kleinen Wegen zu erzeugen bzw. große Kräfte bei kleinen Wegänderungen in elektrische Spannungen umzuwandeln. Über Hebelsysteme könnte man größere Wege erzeugen, dies bedingt aber spielarme, sehr aufwendige Lagerungen. Nachfolgend wird beschrieben, wie Piezoelemente so gestaltet werden können, dass diese Elemente von sich aus, also allein durch piezoelektrische Vorgänge, große Wege ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoelementes vorzuschlagen, das allein durch piezoelektrische Vorgänge das Erzeugen großer Wegänderungen ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 6. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren zur Herstellung eines Piezoelements aus gießbarem, pressbarem oder prägbarem und polarisierbarem piezofähigem Material zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass zwei Schichten aus piezofähigem Material über eine als leitfähige Schicht ausgebildete innere Elektrode fest miteinander verbunden werden, dass die Schichten in eine wellige Form gebracht werden, dass Schnittpunkte der inneren Elektrode mit der fiktiven Mittellinie Grenzen definieren, dass die innere Elektrode zwischen unmittelbar benachbarten Grenzen nur auf einer Seite der fiktiven Mittellinie angeordnet wird und in den direkt angrenzenden Bereichen bis zur nächsten Grenze auf der anderen Seite der fiktiven Mittellinie angeordnet wird, dass zur Polarisierung der Schichten Elektroden parallel zur inneren Elektrode angebracht werden, dass die Elektroden an durch die Schnittpunkte mit einer fiktiven Mittellinie definierten Grenzen durch Streifen aus Isoliermaterial voneinander getrennt werden, dass die Elektroden in Bereichen auf der der fiktiven Mittellinie abgewandten Seite mit einem Pol einer Polarisierungsspannungsquelle und die Elektroden in Bereichen auf der der fiktiven Mittellinie zugewandten Seite mit dem anderen Pol der Polarisierungsspannungsquelle verbunden werden, so dass sich nach dem Polarisierungsvorgang an allen Grenzen die Polarisierungsrichtung umkehrt, dass nach Fertigstellung der Schichten die Elektroden zur Polarisierung und die Streifen aus Isoliermaterial durch durchgehende äußere Elektroden ersetzt werden, dass die äußeren Elektroden mit einem gemeinsamen elektrischen Anschluss versehen werden, und dass die innere Elektrode mit einem elektrischen Anschluss versehen wird. Die zwei Schichten aus piezofähigem Material und die leitfähige innere Elektrode, die die beiden piezofähigen Schichten miteinander verbindet, können beispielsweise durch Gießvorgänge, Prägevorgänge oder Pressvorgänge in eine wellige, beispielsweise wellblechartige, Form gebracht werden. Bei den Schichten kann es sich beispielsweise um künstlich erzeugte Piezowerkstoffe handeln, die zunächst polarisiert werden müssen. Das heißt, die Atomverbände müssen durch eine von außen angelegte elektrische Spannung ausgerichtet werden. Zur Polarisierung der Schichten können externe Elektroden, beispielsweise Polarisationselektroden, zu den zu polarisierenden Schichten in Anlage gebracht werden. Der wellige Verlauf der Schichten weist eine fiktive Mittellinie auf. Insbesondere kann bei einem symmetrischen Verlauf mit spiegelbildlich zueinander verschobenen gekrümmten Bereichen die Mittellinie durch die Spiegelachse gegeben sein. Beispielsweise kann die wellige Form der Schichten einen sinusförmigen Verlauf darstellen, so dass der Verlauf der fiktiven Mittellinie der x-Achse in einem Koordinatensystem entsprechen würde. Die Schichten weisen also Schnittpunkte mit der fiktiven Mittellinie auf, wobei durch die Schnittpunkte Grenzen der Polarisierungsbereiche, also Polarisierungslinien, definiert werden. An diesen Grenzen werden die Elektroden zur Polarisierung, die beispielsweise in einer Herstellungsform angeordnet sein können, durch Streifen, insbesondere durch dünne Streifen aus Isoliermaterial, voneinander getrennt. Beim Polarisierungsvorgang werden nun die externen Elektroden mit den Schichten in Anlage gebracht. Zur Polarisierung werden die Elektroden, die auf der fiktiven Mittellinie abgewandten Seite der inneren Elektrode angeordnet sind, mit einem Pol einer Polarisierungsspannungsquelle, beispielsweise dem Minuspol, verbunden. Die Elektroden, die mit den Schichten auf der der fiktiven Mittellinie zugewandten Seite der inneren Elektrode in Anlage gebracht werden, werden mit dem anderen Pol der Polarisierungsspannungsquelle, beispielsweise dem Pluspol, verbunden. Nach der Polarisierung weisen die Schichten jeweils Bereiche unterschiedlicher Polarisierung auf. Beispielweise kann bei einem sinusförmigen Verlauf der Schichten die Polarisierung der Schicht immer an den Grenzen, die durch Schnittpunkte der inneren Elektrode mit der fiktiven Mittellinie, insbesondere der x-Achse, definiert sind, wechseln. Dabei können die Grenzen insbesondere als senkrechte auf der inneren Elektrode angeordnete Linien definiert sein, die jeweils am Punkt des Nulldurchganges der inneren Elektrode die innere Elektrode schneiden. Das polarisierte Piezoelement besteht also aus abschnittsweise zur einen Seite gekrümmten Bereichen mit zugehöriger Polarisierungsrichtung und aus zur anderen Seite gekrümmten Bereichen mit der dazugehörigen umgekehrten Polarisierungsrichtung. Diese Bereiche können je nach Anwendungsfall beliebig häufig fortgesetzt werden, so dass eine beliebig lange periodische Abfolge der Bereiche gegeben ist. Nach der erfolgten Polarisierung können die Polarisierungselektroden von dem Piezoelement entfernt werden. Die Polarisierungselektroden sowie die zwischen den Polarisierungselektroden angeordneten Streifen aus Isoliermaterial werden durch äußere Elektroden ersetzt. Insbesondere können Elektroden auf die Schichten, beispielweise mittels verschiedener Aufbringungsverfahren, beispielsweise mittels Aufdampfprozessen, aufgebracht werden. Auch andere Elektrodendepositionsverfahren, wie beispielsweise verschiedene Drucktechniken, können zur Anwendung kommen. Nach dem Polarisierungsvorgang können die äußeren, nach Entfernung der Polarisierungselektroden aufgebrachten, Elektroden durchgehend elektrisch miteinander verbunden sein. Somit weist das Piezoelement mit der inneren Elektrode und der für beide Schichten gemeinsamen äußeren Elektrode zwei getrennte Elektroden auf. Diese Elektroden können zur weiteren Verwendung mit elektrischen Anschlussmöglichkeiten versehen werden. Beispielsweise kann die äußere Elektrode, die den beiden piezoelektrischen Schichten zugeordnet ist mit der Masse einer Spannungsquelle und die innere Elektrode mit dem Spannungsausgang einer variablen Spannungsquelle verbunden werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Grenzen ringförmig parallel auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet, die innere Elektrode wird wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet und die Höhe der Welligkeit wird im Verhältnis zum Abstand der Grenzen, zur Form der Welligkeit und zum Neigungswinkel des Kegelstumpfes so abgestimmt, dass keine Hinterschneidungen auftreten. Die Ausformung der Schichten und die entsprechende Polarisierung eines Piezoelementes, beispielsweise bei einem Hohlzylinder, ist nur sehr schwer zu bewerkstelligen. Die fiktive Mittellinie der welligen Struktur der beiden zu polarisierenden Schichten und der inneren Elektrode ist parallel zu der Mantelfläche eines fiktiven Kegelstumpfes angeordnet. Die Grenzen, die durch die Schnittpunkte der inneren Elektrode mit der fiktiven Mittellinie definiert sind, geben den Wechsel der Polarisierung verschiedener Bereiche der Schichten an, sie fungieren also als Polarisationswechsellinien. Diese Polarisationswechsellinien werden ringförmig parallel auf dem fiktiven, insbesondere hohlen, Kegelstumpf angeordnet. Die Höhe der Welligkeit der inneren Elektrode und der dazu parallel verlaufenden zu polarisierenden Schichten ist im Verhältnis zum Abstand der Polarisationswechsellinien so abgestimmt, dass keine Hinterschneidungen auftreten und somit eine gute Ausformbarkeit durch beispielsweise Präge- oder Pressformen gegeben ist. Ebenfalls wird die Höhe der Welligkeit, also der Amplitude eines Wellentals zu einem Wellenberg zum Neigungswinkel des Kegelstumpfes so abgestimmt, dass eine gute Erreichbarkeit der Schichten durch Elektroden bzw. Presswerkzeuge gegeben ist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird mindestens eine Grenze spiralförmig auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet, die innere Elektrode wird wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet und die innere und äußere Kontur der Schichten wird konusförmig ausgeführt. Die Herstellung spitzer Kegelstümpfe kann eine höhere Welligkeit, also einen größeren Abstand der fiktiven Mittellinie zu den Wellenbergen und Wellentälern der zu polarisierenden Schichten sowie der inneren Elektrode im Verhältnis zu den durch die Grenzen definierten Polarisationswechsellinien erfordern. Um dennoch eine leichte Ausformbarkeit eines spitzen Kegelstumpfes zu ermöglichen, wird die gewellte Form der Mantelfläche des spitzen Kegelstumpfes spiralig ausgeführt. Die Mantelfläche des spitzen Kegelstumpfes weist also die Form eines konischen Gewindes auf. Die spiralige Oberfläche kann beispielsweise durch das Ineinanderschrauben einer inneren und einer äußeren Form und die Ausformung durch eine entgegengesetzte Schraubbewegung ausgeführt werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die wellige Struktur der inneren Elektrode in Umfangsrichtung auf einer kegelstumpfartigen Mantelfläche angeordnet und die Höhe der Welligkeit wird zu den Rändern immer kleiner und wird an den Rändern gleich Null. Die wellige Struktur der inneren Elektrode und somit der zu polarisierenden Schichten wird in Umfangsrichtung auf einer kegelstumpfartigen Mantelfläche angeordnet. Die Höhe der Welligkeit wird dabei so ausgebildet, dass die bei den Stirnseiten des Kegelstumpfes gleich Null wird und in der Mitte, also bei ungefähr gleichem Abstand zu den beiden Mantelflächen, am größten ist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird mindestens ein Ende ohne Piezoeigenschaften als mindestens ein Abschluss des Piezoelementes angeordnet, dieses Ende wird an einer Position des Piezoelementes angeordnet, an der die Schichten und die innere Elektrode keine Drehungen ausführen, diese Drehungsfreiheit wird durch zwei zusätzliche Grenzen erreicht, das Piezoelement wird an beiden Enden drehfrei ausgebildet und mindestens ein Ende wird mit mindestens einem elektrischen Anschluss versehen. Zur Übertragung von Bewegungen und Kräften müssen die Enden der Piezoelemente, beispielsweise in ein weiteres Bauteil, eingespannt werden. Hierbei gilt es zu verhindern, dass beispielsweise zusätzliche Drehmomente, beispielsweise durch Drehbewegungen an der Einspannungsstelle oder zusätzliche Kräfte, übertragen werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das einzuspannende Ende nicht polarisiert wird und beispielsweise während des Polarisationsprozesses zusätzliche Polarisationswechsellinien am Ende des Piezoelementes erzeugt werden. Der Bereich zwischen den zusätzlich erzeugten Polarisationswechsellinien wird geometrisch entgegengesetzt, insbesondere genau umgedreht zu dem benachbarten Abschnitt des Piezoelements ausgeführt und erhält die entgegengesetzte Polarisation. Durch diesen Abschnitt wird die Drehung von dem benachbarten polarisierten Bereich kompensiert und das einzuspannende Ende des Piezoelementes führt bei Anlegen einer Spannung keine Drehbewegung aus. Das einzuspannende Ende kann mit Kontakten, insbesondere mit zwei elektrischen Anschlüssen, versehen werden, da es auch bei Anlegen einer Spannung keine Drehbewegung ausführt. Analog kann das entgegengesetzte Ende des Piezoelementes ebenfalls mit zusätzlichen Polarisationswechsellinien ausgeführt werden.
Das Piezoelement aus piezofähigem Material zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Piezoelement zwei Schichten aus piezofähigem Material aufweist, dass die Schichten über eine durch eine leitfähige Schicht ausgebildete innere Elektrode miteinander verbunden sind, dass die Schichten eine wellige Form mit einer fiktiven Mittellinie aufweisen, dass die innere Elektrode durch Schnittpunkte mit der fiktiven Mittellinie definierte Grenzen aufweist, dass die innere Elektrode zwischen unmittelbar benachbarten Grenzen nur auf einer Seite der fiktiven Mittellinie angeordnet ist, dass die innere Elektrode in dem angrenzenden Bereich, der sich bis zu einer nächsten Grenze erstreckt, auf der anderen Seite der fiktiven Mittellinie angeordnet ist, dass die Schichten in mindestens einem zwischen zwei Grenzen angeordnetem ersten Abschnitt eine erste Polarisierungsrichtung aufweisen, dass die Schichten in mindestens einem zweiten Abschnitt, der durch eine Grenze von dem ersten Abschnitt getrennt ist, eine zweite Polarisierungsrichtung aufweisen und dass die Schichten mindestens eine durchgehende äußere Elektrode aufweisen. Das Piezoelement besteht im Allgemeinen aus zwei Schichten aus piezofähigem Material. Im Verhältnis zu den anderen Abmessungen können die Schichten eine geringe Wandstärke aufweisen, wobei die beiden Schichten gleiche oder unterschiedliche Wandstärken haben können. Die Wandstärke einer Schicht kann vorzugsweise konstant sein, sie kann aber auch über die Schichtfläche variieren. Die beiden piezofähigen Schichten sind über eine elektrisch leitfähige Schicht, vorzugsweise eine dünne elektrisch leitfähige Schicht, die die innere Elektrode ausbildet, fest miteinander verbunden. Die Schichten des Piezoelemetes weisen eine wellige, beispielsweise wellblechartige Form auf. Diese Form kann beispielsweise abwechselnd aus Abschnitten mit konstantem Krümmungsradius und aus geraden Abschnitten bestehen. Dabei können die Schichten mit kleinen Krümmungsradien mit darauf folgenden langen geraden Abschnitten ausgebildet sein, oder auch mit großen Krümmungsradien mit darauf folgenden kurzen geraden Abschnitten. Ebenfalls ist es möglich, dass die gewellte Form nur aus aneinander angesetzten, kreisförmigen Abschnitten ohne gerade Abschnitte besteht. Ebenfalls möglich sind harmonische, beispielsweise sinusförmige Verläufe, oder Verläufe die aus umgekehrt aneinandergesetzten Parabelabschnitten gebildet werden. Das entscheidende Merkmal bei dem welligen Verlauf ist, dass der Verlauf aus abwechselnd zur einen und dann zur anderen Seite gekrümmten Abschnitten besteht, wobei zwischen den gekrümmten Abschnitten gerade Abschnitte angeordnet sein können. Die äußeren Begrenzungsflächen der Piezoelemente befinden sich also abwechselnd auf der zu den Krümmungsmittelpunkten abgewandten Seite oder auf der den Krümmungsmittelpunkten zugewandten Seite. Beispielsweise bei einem symmetrischen Verlauf, insbesondere wenn die gekrümmten Bereiche verschoben spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, ergibt sich eine fiktive Mittellinie. Durch Schnittpunkte der inneren Elektrode mit der fiktiven Mittellinie werden Grenzen definiert. Durch die Grenzen können die gegensätzlich gekrümmten Bereiche gegeneinander abgegrenzt sein. Durch einen Polarisierungsvorgang werden die Schichten in einem zwischen zwei Grenzen angeordneten Abschnitt mit einer Polarisierungsrichtung versehen. Ein an diesen Abschnitt angrenzender Abschnitt, also ein von diesem Abschnitt durch eine Grenze getrennter Abschnitt, weist eine andere Polarisierungsrichtung auf. Die durch die Schnittpunkte der inneren Elektrode mit der fiktiven Mittellinie definierten Grenzen bilden also Grenzen der Polarisierung aus und werden auch als Polarisierungswechsellinien bezeichnet. Zwei durch eine Grenze getrennte Bereiche des Piezoelementes weisen unterschiedliche Polarisierungsrichtungen auf. Beispielsweise besteht das Piezoelement also aus abschnittsweise zu einer Seite gekrümmten Bereichen mit einer zugehörigen Polarisierungsrichtung und zur anderen Seite gekrümmten Bereichen mit der zugehörigen umgekehrten Polarisierungsrichtung. Von diesen Bereichen können beliebig viele Abschnitte aufeinander folgen. Die Bereiche gleicher Polarisierungsrichtung stimmen immer mit den Bereichen gleicher Krümmungsrichtung überein. Diese können streifenförmig parallel verlaufen, sie können aber auch strahlenförmig auf einen Punkt zulaufend angeordnet sein oder konzentrisch ringförmig auf einer konischen Oberfläche angeordnet sein.
Das Piezoelement weist äußere Elektroden auf, die auf den polarisierten Schichten angeordnet sein können. Die äußeren Elektroden können elektrisch miteinander verbunden sein, so dass das Piezoelement zwei getrennte Elektroden, die durch die innere Elektrode und die gemeinsame äußere Elektrode gegeben sind, aufweist. Die beiden Elektroden können elektrische Anschlussmöglichkeiten aufweisen.
In einem Abschnitt der Schichten des Piezoelementes zwischen zwei Grenzen, also zwischen zwei Wechseln der Polarisierungsrichtung, kann beispielsweise bei Anlegen einer negativen Spannung an der inneren Elektrode eine Schicht zusammengedrückt und über die Querkontraktion verlängert werden, während die zweite Piezoschicht auseinandergezogen und über die Querkontraktion verkürzt wird. Da die innere Elektrode zwischen den beiden Schichten, die zwischen zwei Grenzen die gleiche Polarisierungsrichtung aufweisen, angeordnet ist und da die innere Elektrode an einem Pol einer Spannungsquelle angeschlossen sein kann, werden die beiden Schichten von Feldlinien unterschiedlicher, insbesondere entgegengesetzter, Richtung durchsetzt. Das Feld, insbesondere das elektrische Feld, geht auf die innere Elektrode zurück. Die durchgehende äußere Elektrode der Schichten kann insbesondere an die Masse einer Spannungsquelle angeschlossen sein. Somit wird bei Anlegen einer Spannung an die innere Elektrode der Krümmungsradius des gebogenen Abschnittes verkleinert und der gerade Abschnitt wird nach innen gekrümmt. Hieraus resultiert, dass der Abstand der den Bereich definierenden Grenzen entlang der fiktiven Mittellinie verkürzt wird und sich der betrachtete Abschnitt somit zusammenzieht. Das Zusammenziehen wird allein durch die Biegung der beiden Piezoschichten erreicht, wobei die benachbarten Bereiche die Bewegung hebelartig verstärken. Somit sind schon in kleinen Abschnitten die Überwindung großer Wege durch die Piezoschichten möglich. Der umgekehrte Vorgang erfolgt, wenn beispielsweise eine positive Spannung an die innere Elektrode angelegt wird. In diesem Fall wird in dem Abschnitt zwischen zwei Grenzen eine Schicht über die Querkontraktion verkürzt und die zweite Schicht entsprechend verlängert. Hierdurch wird der Krümmungsradius im betrachteten Abschnitt größer und der Abstand zwischen den Grenzen auf der fiktiven Mittellinie wird vergrößert. Somit ist durch die Piezoschichten eine erhebliche Längenänderung ermöglicht. Zwei aneinander angrenzende Bereiche auf dem piezoelektrischen Element, die beispielsweise durch drei Grenzen definiert sein können, wobei eine Grenze zwischen den beiden Bereichen liegt, sind entgegengesetzt gekrümmt und entgegengesetzt polarisiert. Die piezoelektrischen Schichten in dem ersten Bereich weisen eine Polarisierungsrichtung und in dem angrenzenden Bereich die entgegengesetzte Polarisierungsrichtung auf. Analog weisen die Schichten in dem an den ersten Bereich angrenzenden Bereich die entgegengesetzte Polarisierungsrichtung auf. Somit wird beispielsweise durch das Anlegen einer negativen Spannung an die innere Elektrode die erste Schicht verkürzt während die zweite Schicht verlängert wird. Der Abstand auf der Mittellinie zwischen den Grenzen wird somit verkürzt. Durch unterschiedliche Polarisierung in zwei benachbarten Bereichen und die beispielsweise in entgegengesetzte Richtungen weisenden Feldlinien, die von der inneren Elektrode ausgehend jeweils die beiden Schichten durchsetzen, addieren sich die Längenänderungen beider Abschnitte beim Anlegen der gleichgepolten Spannung. Durch die Anordnung beliebig vieler entgegengesetzt gekrümmter Abschnitte, mit jeweils entgegengesetzten Polarisationen, addieren sich die durch eine Spannungsänderung an der inneren Elektrode erzeugten Längenänderungen und somit sind erhebliche Längenänderungen ohne weitere Bauteile, wie beispielsweise Hebelkonstruktionen, durch die piezoelektrischen Vorgänge zu erreichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen beide äußere Elektroden einen gemeinsamen Anschluss auf und die innere Elektrode weist einen elektrischen Anschluss auf. Die äußeren Elektroden, die beispielsweise auf der Oberfläche der beiden Piezoschichten angeordnet sein können, können durchgehend und elektrisch miteinander verbunden ausgebildet sein. Das Piezoelement weist somit zwei getrennte Elektroden auf, wobei eine Elektrode durch die innere Elektrode gegeben ist und die weitere Elektrode durch die gemeinsame äußere Elektrode der beiden Piezoschichten gegeben ist. Die Elektroden weisen elektrische Anschlussmöglichkeiten auf, wodurch beispielsweise die äußere Elektrode mit der Masse einer variablen Spannungsquelle und die innere Elektrode mit der variablen Spannung verbunden sein kann. Durch dieses Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die beiden elektrischen Anschlüsse können Längenänderungen im Piezoelement hervorgerufen werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die wellige Struktur der inneren Elektrode eine zusätzliche Wölbung um parallel zur fiktiven Mittellinie verlaufende Achsen auf oder ist auf Linien parallel zur Mittellinie geknickt. Zum Aufbringen von Zugkräften durch das Piezoelement ist eine einfache wellige Struktur des Piezoelementes ausreichend. Beim Aufbringen von Druckkräften besteht die Möglichkeit, dass eine einfache gewellte Struktur eines Piezoelementes unter der Belastung einknickt. Um eine zusätzliche Knicksteifigkeit zu gewährleisten, kann das Piezoelement eine zusätzliche Wölbung aufweisen. Beispielsweise kann das Piezoelement eine kreisbogenförmig gewölbte Struktur aufweisen. Durch die Wölbung des gesamten Piezoelementes, die beispielsweise um parallel zur fiktiven Mittellinie verlaufende fiktive Achsen erfolgen kann, ist eine zusätzliche Knicksteifigkeit des Piezoelementes gegeben. Des Weiteren kann das Piezoelement auch eine geknickte Struktur aufweisen, so dass durch diese äußere Formgebung eine Knicksteifigkeit des Piezoelementes gegeben ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Grenzen ringförmig parallel auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet, die innere Elektrode ist wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet und die Höhe der Welligkeit ist im Verhältnis zum Abstand der Grenzen, zu der Form der Welligkeit und zum Neigungswinkel des Kegelstumpfes so abgestimmt, dass keine Hinterschneidungen auftreten.
Piezoelemente mit einer gebogenen Form können grundsätzlich auch als Hohlzylinder hergestellt werden. Die Ausformung beim Herstellungsvorgang ist allerdings sehr aufwendig. Einfacher zu bewerkstelligen ist die Herstellung von Kegelstümpfen, bei denen durch die Piezoelemente eine Parallelverschiebung der Stirnflächen erreicht werden kann. Die Grenzen zwischen den Bereichen der Piezoschichten, die auch die Polarisationswechsellinien darstellen, sind ringförmig parallel zueinander auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet. Die Mantelfläche des Kegelstumpfes weist die wellige Struktur der inneren Elektrode und der darum angeordneten Piezoschichten auf. Bei einem relativ spitzen Kegelstumpf muss der Abstand der Grenzen, also der Polarisationswechsellinien, groß sein gegenüber den Abständen der fiktiven Mittellinie zu den Wellentälern und Wellenbergen der inneren Elektrode. Somit ist eine gute Ausformbarkeit des Hohlkegelstumpfes gegeben. Bei einem flacheren Kegelstumpf können die Abstände der Polarisationslinien im Verhältnis zum Abstand der fiktiven Mittellinie und der Wellentäler und Wellenberge der welligen Struktur der inneren Elektrode kleiner sein, um ebenfalls eine Ausformbarkeit des Kegelstumpfes zu erreichen. Mit einem Piezoelement, das wie ein spitzerer Kegelstumpf ausgeformt ist, lassen sich kleinere Wege mit größeren Kräften erzeugen, während flachere Kegelstümpfe für größere Wege mit kleineren Kräften geeignet sind. Als Kegelstümpfe ausgebildete Piezoelemente können als Weggeber für lineare Verschiebungen genutzt werden, beispielsweise in Lautsprechern oder als bewegliche Membranen in Pumpen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Grenze spiralförmig auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet, die innere Elektrode ist wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet und die innere und äußere Kontur der Schichten sind konusförmig ausgeführt. Bei einem spitzen Kegelstumpf können die Abstände der fiktiven Mittellinie zu den Wellentälern und Wellenbergen der welligen Struktur des Schichtaufbaus des Piezoelements groß sein im Verhältnis zum Abstand der Grenzen, also der Polarisationswechsellinien. Eine leicht auszuführende Ausformbarkeit lässt sich erreichen, indem die gewellte Form der Mantelfläche spiralförmig ausgeführt ist. Die Mantelfläche weist also die Form eines konischen Gewindes auf.
In einer weiteren konstruktiven Weiterbildung der Erfindung ist die wellige Struktur der inneren Elektrode in Umfangsrichtung auf einer kegelstumpfartigen Mantelfläche angeordnet, die Höhe der Welligkeit wird zu den Rändern hin kleiner und die Höhe der Welligkeit wird an den Rändern gleich null. Die Ränder der kegelstumpfartigen Mantelfläche sind durch die Stirnseiten der Mantelfläche ausgebildet. Durch die Anordnung der welligen Struktur der inneren Elektrode und somit der Struktur der Piezoschichten in Umfangsrichtung auf einer kegelstumpfartigen Mantelfläche kann ein Körper geschaffen sein, bei dem es ohne nennenswerte Parallelverschiebung der Stirnflächen zu einer Volumenänderung im Inneren des Elementes kommen kann. Solche Elemente können beispielsweise für Pumpenanwendungen genutzt werden. Dazu kann beispielsweise die wellige Form des Piezoelementes in Umfangsrichtung so ausgeführt werden, dass sie im mittleren Bereich der Mantelfläche am stärksten ausgeprägt ist während die Welligkeit zu den Stirnflächen hin abnimmt und an den Stirnflächen gleich null ist. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung kann die gewellte Struktur so gestreckt werden, dass sich der Umfang des kegelstumpfartigen Elementes vergrößert. Durch das Anlegen der entgegengesetzten elektrischen Spannung wird die gewellte Struktur des Piezoelementes entsprechend gestaucht, sodass das innere Volumen des kegelstumpfartigen Elementes verkleinert wird. Dadurch, dass die Welligkeit des Piezoelementes zu den Stirnflächen hin immer kleiner und bei den Stirnflächen gleich null wird, findet an den Stirnflächen keine nennenswerte Bewegung statt und die Stirnflächen bleiben weitestgehend in Ruhelage. Die Realisierung einer Pumpe durch den kegelstumpfartigen Körper ist mit zugehörigen Ventilen und Anschlüssen möglich. Ein angepasster Innenkörper kann des Weiteren für ein kleineres Minimalvolumen und damit einen höheren Druck sorgen. Des Weiteren kann ein außen um das Piezoelement angebrachtes Gehäuse den Außenraum zu einer Pumpe bilden, die im entgegengesetzten Rhythmus zur inneren Pumpe arbeitet. Durch einen spiraligen Aufbau der welligen Struktur lässt sich ein Drall des Pumpenmediums erzeugen.
In einer weiteren konstruktiven Weiterbildung der Erfindung ist das Piezoelement zumindest abschnittsweise rund ausgeführt, die wellige Struktur der inneren Elektrode ist in Umfangsrichtung mit radialverlaufenden Grenzen ausgeführt, die Höhe der Welligkeit ist proportional zum Radius ausgeführt, das zumindest abschnittsweise kreisrunde Piezoelement weist eine durch den Rand begrenzte innere Öffnung auf und das zumindest abschnittsweise kreisrund ausgeführte Piezoelement weist eine Aussparung auf. Zur Erzeugung von Schwenkbewegungen, also Drehbewegungen in einem begrenzten Winkelbereich, können zumindest abschnittsweise rund ausgeführte Piezoelemente zur Verwendung kommen. Ein zumindest abschnittsweise kreisrundes Piezoelement kann einen äußeren Rand, einen inneren Rand, der eine innere Öffnung umgibt, und eine Aussparung aufweisen. Die Aussparung in dem kreisrunden Piezoelement kann auch in dem inneren und dem äußeren Rand ausgebildet sein und einen im Ruhezustand festen Winkel aufweisen. Die Grenzen, also die Polarisationswechsellinien, können radial angeordnet sein, wobei die Welligkeit des Piezoelementes in Umfangsrichtung verläuft. Die Höhe der Welligkeit kann proportional zum Radius von innen nach außen hin größer werden. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die innere Elektrode kann dies zu einer Streckung des Piezoelementes, also zu einer Streckung der Welligkeit führen, wobei die Streckung proportional zum Radius des Piezoelementes verläuft und somit eine Drehbewegung ausführt, wobei der Winkel der Aussparung kleiner wird. Entsprechend kann eine Stauchung der Welligkeit mit dem Anlegen einer entgegengesetzten elektrischen Spannung erreicht werden, wobei der Winkel der Aussparung größer wird. Die Ausführung von Schwenkbewegungen in diesem begrenzten Winkelbereich ist somit ermöglicht. Weiterhin kann das Piezoelement ringförmig gewölbt sein, um die Knickstabilität zu erhöhen. Beispielsweise kann der Öffnungswinkel der Aussparung im Zustand ohne angelegte Spannung so groß gewählt werden, dass er im gestreckten Zustand nicht gleich null wird. Zum Ausführen größerer Schwenkbewegungen kann der Öffnungswinkel der Aussparung beispielsweise sehr klein gewählt werden. Durch eine spiralige Struktur des Piezoelementes kann eine Streckung der Welligkeit ohne Berührung durchgeführt werden, wobei sich die Flächen übereinander bewegen können.
In einer weiteren konstruktiven Weiterbildung der Erfindung weist das Piezoelement mindestens ein Ende ohne Piezoeigenschaften auf, das Ende ist an einer Stelle des Piezoelementes angeordnet, an der die Schichten und die innere Elektrode keine Drehung ausführen. Um Kräfte und Bewegungen mit dem Piezoelement übertragen zu können muss das Piezoelement, beispielsweise in ein Bauteil, eingespannt werden. Hierbei gilt es möglichst Drehmomente durch die Drehbewegung an der Einspannstelle zu verhindern. Die Drehfreiheit, also das Ausbleiben einer Verformung des Abschnittes des Piezoelementes unter Anlage einer Spannung, kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Ende des Piezoelementes nicht polarisiert wird. Zur Sicherstellung der Drehfreiheit an dem Ende können weitere Grenzen, insbesondere zwei Grenzen, also Polarisationswechsellinien, eingefügt werden, die einen Abschnitt des Piezoelementes bilden, der beispielsweise geometrisch umgedreht zum benachbarten Abschnitt ausgeführt und entgegengesetzt polarisiert ist. Die Drehbewegung kann dadurch verhindert werden, dass die Drehung an einer Grenze genau durch den folgenden Abschnitt kompensiert wird. Diese zusätzlichen Grenzen bzw. Polarisationslinien können an beiden Enden des Piezoelementes eingefügt werden, so dass eine Verschiebung ohne Drehbewegung durch das Piezoelement ermöglicht ist.
Bei einem Piezoelement für große Wege aus piezo-fähigem Material, das gieß-, press- oder prägbar und polarisierbar ist, kann bevorzugt vorgesehen sein, dass zwei flache Schichten aus piezofähigem Material über eine dünne elektrisch leitfähige Schicht (innere Elektrode) fest miteinander verbunden sind und in eine wellige Form mit einer fiktiven Mittellinie gebracht werden, dass die Schnittpunkte der inneren Elektrode mit der Mittellinie Grenzen definieren und die innere Elektrode zwischen unmittelbar benachbarten Grenzen nur auf einer Seite der Mittellinie angeordnet und in den direkt angrenzenden Bereichen bis zur nächsten Grenze auf der anderen Seite der Mittelinie angeordnet ist, dass für den Polarisierungsvorgang der Schichten an den äußeren Rändern dieser Schichten parallel zur Elektrode Elektroden angebracht werden, die an all diesen Grenzen durch schmale Streifen aus Isoliermaterial voneinander getrennt sind, dass diese Elektroden abschnittsweise auf der der Mittellinie abgewandten Seite mit einem Pol einer Polarisierungsspannungsquelle und diese Elektroden abschnittsweise auf der der Mittellinie zugewandten Seite mit dem anderen Pol der Polarisierungsspannungsquelle verbunden werden, sich also nach dem Polarisierungsvorgang an allen Grenzen die Polarisierungsrichtung umkehrt, dass nach Fertigstellung der Piezoschichten die Polarisierungselektroden einschließlich der Streifen aus Isoliermaterial durch durchgehende äußere Elektroden ersetzt werden und das Piezoelement mit zwei elektrischen Anschlüssen versehen wird, einer für die beiden äußeren Elektroden gemeinsam und der andere für die innere Elektrode.
In einer ersten Weiterbildung sind die einzelnen Abschnitte der inneren Elektrode zwischen unmittelbar benachbarten Grenzen nur gerade oder zur Mittellinie hin gekrümmt.
In einer Weiterbildung der Erfindung erhält die wellige Struktur der inneren Elektrode eine zusätzliche Wölbung um parallel zur Mittellinie verlaufende Achsen oder wird auf Linien parallel zur Mittellinie geknickt.
In einer konstruktiven Weiterbildung sind Grenzen (Polarisationswechsellinien) ringförmig parallel auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet, die innere Elektrode ist wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet, eine Höhe der Welligkeit a + b ist im Verhältnis zum Abstand c der Polarisationswechsellinien, der Form der Welligkeit und zum Neigungswinkel des Kegelstumpfes so abgestimmt, dass keine Hinterschneidungen auftreten und eine gute Ausformbarkeit gegeben ist.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung verläuft eine Polarisationswechsellinie spiralförmig auf einem fiktiven Kegelstumpf, die innere Elektrode verläuft wellig um diesen Kegelstumpf und die innere und äußere Kontur der Schichten (die jeweils äußeren Ränder der Schichten) sind konusschraubenförmig ausgeführt.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung verläuft die wellige Struktur der inneren Elektrode in Umfangsrichtung auf einer kegelstumpfartigen Mantelfläche, die Höhe der Welligkeit wird zu den Rändern hin immer kleiner wird und an den Rändern zu Null und die Welligkeit kann auch spiralig sein.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist in einem runden Element die wellige Struktur der inneren Elektrode in Umfangsrichtung mit radial verlaufenden Polarisationswechsellinien ausgeführt, die Höhe der Welligkeit ist proportional zum Radius, ein Loch mit einem Rand und eine Aussparung mit dem Winkel d ist vorhanden, eine hier ringförmige Wölbung kann vorhanden sein und das Element kann spiralig ausgeführt werden.
In einer weiteren konstruktiven Weiterbildung der Erfindung ist ein Ende ohne Piezo-Eigenschaften (zum Beispiel ohne Polarisierung) als Abschluss zur Kraft- und Wegübertragung vorhanden, dieses Ende ist an einer Stelle eines Piezoelementes angeordnet, an der die Schichten keine Drehung ausführen, diese Drehfreiheit kann durch zwei zusätzliche Polarisationswechsellinien erreicht werden, indem die an einer Polarisationswechsellinie vorhandene Drehung durch den Abschnitt zwischen zwei weiteren Polarisationswechsellinien bei einer Linie kompensiert wird, und das Piezoelement wird an beiden Enden mit solchen drehfreien Abschlüssen versehen und einer davon wird mit den elektrischen Anschlüssen bestückt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die schematischen Darstellungen zeigen in:
1: den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Piezoelementes in einer teilgeschnittenen Seitenansicht,
2a: einen möglichen Verlauf eines Piezoelementes,
2b: eine schematische Darstellung der möglichen Form eines erfindungsgemäßen Piezoelementes,
3a: eine teilgeschnittene Ansicht eines bogenförmig gewölbten Piezoelementes,
3b: eine Struktur eines kreisbogenförmig gewölbten Piezoelementes,
4a: eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Hohlkegelstumpfes mit der Anordnung des Piezoelementes,
4b: ein Kegelstumpf gemäß 4a in einer flacheren Ausführung,
5: eine teilgeschnittene Seitenansicht eines spitzen Kegelstumpfes mit spiralig angeordnetem Piezoelement,
6: eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Piezoelementes für Pumpenanwendungen,
7: ein abschnittsweise kreisrund ausgeführtes Piezoelement in einer Draufsicht und
8: eine prinzipielle Darstellung einer Befestigungsmöglichkeit für ein Piezoelement.
Der grundsätzliche Aufbau von Piezoelementen für große Wege wird anhand von 1 beschrieben, die einen Abschnitt eines solchen Piezoelementes von der Seite betrachtet zeigt.
Die Piezoelemente bestehen aus zwei Schichten 1 und 2 aus piezofähigem Material, die im Verhältnis zu den anderen Abmessungen eine geringe Wandstärke besitzen. Die Schichten können gleiche oder unterschiedliche Wandstärken haben, die Wandstärke kann über die Schichtfläche konstant oder variabel sein (1 ist mit gleichen und konstanten Schichtstärken gezeichnet). Diese beiden Schichten 1 und 2 sind über eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht 3 (innere Elektrode 3) fest miteinander verbunden.
Durch Gieß-, Präge- oder Pressvorgänge werden die Schichten 1, 2 und 3 in eine wellige („wellblechartige”) Form gebracht. Diese Form kann zum Beispiel abwechselnd aus Abschnitten mit konstantem Krümmungsradius und geraden Abschnitten bestehen (wie in 1). Dabei können die Krümmungsradien klein mit dann langen geraden Abschnitten sein oder groß mit dann kurzen geraden Abschnitten. Ebenso kann diese gewellte Form nur aus aneinander gesetzten kreisförmigen Abschnitten ohne gerade Abschnitte bestehen. Möglich sind zum Beispiel auch harmonische (sinusförmige) Verläufe oder der Verlauf wird aus umgekehrt aneinander gesetzten Parabelabschnitten gebildet (siehe 2a). Wichtig ist, dass der Verlauf aus abwechselnd zur einen und dann zur anderen Seite gekrümmten Abschnitten mit eventuell dazwischen liegenden geraden Abschnitten besteht. Die äußeren Begrenzungsflächen der Piezoelemente befinden sich also abwechselnd auf der zu den Krümmungsmittelpunkten abgewandten Seite (Abschnitte 4 und 6) oder auf der zugewandten Seite (Abschnitte 5 und 7). Meistens wird der Verlauf symmetrisch sein, das heißt die gegensätzlich gekrümmten (bzw. geraden) Bereiche sind verschoben spiegelbildlich zueinander. Daraus ergibt sich eine Mittellinie 8. (Bei nicht symmetrischen Verläufen muss eine „Mittellinie” 8 nach pragmatischen Gesichtspunkten festgelegt werden.) Für den gezeichneten Abschnitt werden durch die Schnittpunkte der Mittellinie 8 mit der inneren Elektrode 3 die Grenzen 9, 10 und 11 definiert, die die gegensätzlich gekrümmten (bzw. geraden) Bereiche gegeneinander abgrenzen. 1 zeigt nur einen Ausschnitt, das heißt die Schichten 1 und 2 und die innere Elektrode 3 sind durchgehend auch über die Zeichnung hinaus und es gibt weitere Grenzen als Schnittpunkte der Linien 3 und 8 und weitere Begrenzungsflächen 4, 5, 6 und 7. (Die Piezoelemente erstrecken sich senkrecht zur Zeichenebene, auf diesen Flächen werden die Schnittpunkte zu Schnittlinien und die Mittellinie zur Mittelfläche.) Das piezofähige Material der Schichten 1 und 2 muss polarisiert werden. Dafür kann zum Beispiel die Herstellungsform mit Elektroden versehen werden, die an den Grenzen (im gezeichneten Abschnitt die Grenzen 9, 10 und 11) durch schmale Streifen aus Isoliermaterial voneinander getrennt sind. Senkrecht zur Zeichenebene ergeben sich also streifenförmige Elektroden mit dazwischenliegenden schmalen Streifen aus Isoliermaterial. Beim Polarisierungsvorgang werden nun die der Mittellinie 8 abgewandten Elektroden (entspricht den Begrenzungsflächen 4 und 6) mit einem Pol einer Spannungsquelle (zum Beispiel Minus) und die zugewandten Elektroden (entspricht den Begrenzungsflächen 5 und 7) mit dem anderen Pol einer Spannungsquelle (zum Beispiel Plus) verbunden. Nach Abschluss des Polarisierungsvorganges sind die Grenzen (hier 9, 10 und 11) also nicht nur Grenzen der Krümmungsrichtung (einschließlich von eventuell geraden Abschnitten), sondern hier dreht sich ebenfalls jeweils die Polarisierungsrichtung um. (Im Bereich der Streifen mit Isoliermaterial wird die Polarisierung kleiner, zu Null und dann andersrum wieder größer. Diese Streifen sind allein deshalb notwendig, damit keine Überschläge zwischen den gegensätzlich geladenen Elektroden stattfinden.) Das Piezoelement besteht also aus abschnittsweise zur einen Seite gekrümmten (bzw. geraden) Bereichen mit zugehöriger Polarisationsrichtung und zur anderen Seite gekrümmten (bzw. geraden) Bereichen mit zugehöriger umgekehrter Polarisationsrichtung (in 1 abwechselnd oberhalb und unterhalb der Mittellinie 8). Davon können viele Abschnitte aufeinander folgen.
Diese Bereiche gleicher Polarisationsrichtung, die immer mit den Bereichen gleicher Krümmungsrichtung übereinstimmen, können streifenförmig parallel („wellblechartig”) verlaufen, können zum Beispiel aber auch strahlenförmig auf einen Punkt zulaufen (siehe 7) oder konzentrisch ringförmig auf einer konischen Oberfläche sein.
Nach den notwendigen weiteren Fertigungsschritten (zum Beispiel tempern und entformen) müssen die äußeren Oberflächen noch mit Elektroden versehen werden (zum Beispiel durch aufdampfen). Dies ist notwendig, da die beim Polarisierungsvorgang vorhandenen Elektroden entfernt werden. Nach dem Polarisierungsvorgang können die äußeren Elektroden durchgehend und elektrisch miteinander verbunden sein, das heißt jetzt sind nur noch zwei getrennte Elektroden vorhanden, nämlich die innere Elektrode 3 und die gemeinsame äußere Elektrode. Diese beiden Elektroden müssen noch mit elektrischen Anschlussmöglichkeiten versehen werden. Wenn die äußere Elektrode mit dem Nullpunkt (Masse) einer variablen Spannungsquelle und die innere Elektrode 3 mit der variablen Spannung verbunden wird, erfolgen die anschließend beschriebenen Vorgänge.
Zunächst soll der Abschnitt zwischen den Grenzen 9 und 10 beschrieben werden. Bei der angenommenen Polarisierungsrichtung wird bei einer negativen Spannung an der inneren Elektrode 3 die Schicht 1 zusammengedrückt und über die Querkontraktion verlängert, während Schicht 2 auseinandergezogen und über die Querkontraktion verkürzt wird. Damit wird der Krümmungsradius des gebogenen Abschnitts verkleinert und der gerade Abschnitt nach innen gekrümmt, was zur Folge hat, dass der Abstand der Grenzen 9 und 10 auf der Linie 8 verkürzt wird, das heißt dieser Abschnitt zieht sich zusammen. Da dies durch die Biegung der Schichten 1 und 2 erreicht wird und der Bereich in der Nähe der Grenzen 9 und 10 die Bewegung noch hebelartig verstärkt, sind schon in diesem Abschnitt große Wege möglich. Der umgekehrte Vorgang findet statt, wenn die innere Elektrode 3 mit zum Beispiel einer positiven Spannung beaufschlagt wird. Dann wird in diesem Abschnitt über die Querkontraktion Schicht 1 verkürzt und Schicht 2 verlängert. Dadurch wird der Krümmungsradius im gekrümmten Abschnitt größer, die geraden Abschnitte werden nach außen gekrümmt und der Abstand auf der Mittellinie 8 zwischen den Grenzen 9 und 10 wird vergrößert. Somit sind schon in diesem Abschnitt (zwischen den Grenzen 9 und 10) erhebliche Längenänderungen (Verlängerung und Verkürzung) möglich.
Der Abschnitt zwischen den Grenzen 10 und 11 ist entgegengesetzt gekrümmt und entgegengesetzt polarisiert zum Abschnitt zwischen den Grenzen 9 und 10. Damit wird hier bei einer negativen Spannung an der inneren Elektrode 3 die Schicht 2 verlängert und die Schicht 1 verkürzt. Deshalb biegt sich alles nach innen und der Abstand auf der Mittellinie zwischen den Grenzen 10 und 11 wird verkürzt (wie zwischen den Grenzen 9 und 10 bei einer negativen Spannung). Bei einer positiven Spannung an der inneren Elektrode 3 wird der Abstand der Grenzen 10 und 11 auf der Mittellinie 8 vergrößert. Die Längenänderungen beider Abschnitte gehen also in die gleiche Richtung und addieren sich.
Werden nun viele solcher entgegengesetzt gekrümmter Abschnitte mit jeweils entgegengesetzten Polarisationen aneinandergereiht, so addieren sich die durch eine Spannungsänderung an der inneren Elektrode 3 erzeugten Längenänderungen und man erhält erhebliche Längenänderungen ohne weitere Bauteile (wie zum Beispiel Hebelkonstruktionen) allein durch piezoelektrische Vorgänge.
Neben der Auswahl der Piezomaterialien und der Anzahl der aneinandergereihten Abschnitte bestehen noch erhebliche geometrische Variationsmöglichkeiten. Dies sind zum Beispiel Art der Krümmungen, Schichtdicken, Abstände zwischen benachbarten Grenzen auf der Mittellinie 8, maximale Abstände von der Mittellinie und Breite der Piezoelemente. Dabei können die geometrischen Größen durchaus ortsvariabel sein. Somit ist eine Vielzahl von Parametern gegeben, mit denen die Piezoelemente an die gewünschten Anforderungen angepasst werden können.
In 2a ist eine mögliche Form eines Piezoelementes als Linie 12 dargestellt. Der innere Aufbau des Piezoelementes mit zwei Schichten 1 und 2, der inneren Elektrode 3, den beiden äußeren Elektroden und den zugehörigen Wandstärken ist nicht eingezeichnet. Die Linie 12 besteht hier aus aneinander gesetzten Parabelabschnitten. Ein harmonischer (sinusförmiger) Verlauf würde ähnlich aussehen. Gekennzeichnet sind die maximalen Abstände von der Mittellinie 8 durch die Linien 13 und 14 und die Positionen der Durchgänge der inneren Elektrode 3 durch die Linien 15 (sie entsprechen den Grenzen 9, 10, 11 in 1).
Wie schon weiter oben beschrieben, sind viele Verläufe der Linie 12 möglich. Deshalb wird die Darstellung in 2b auf die Linien 8, 13, 14 und 15 beschränkt. Eingezeichnet sind noch die Abstände a, b und c. Die Abstände a, b und c sind hier als konstant gezeichnet, sie können aber durchaus ortsvariabel sein. Die nachfolgenden Zeichnungen sind vereinfacht nach dem Prinzip von 2b dargestellt.
Die Linien 15 markieren die Positionen der Polarisationswechsel, sie werden deshalb auch als Polarisationswechsellinien 15 benannt. Die Gesamthöhe a + b der welligen Struktur soll auch als Höhe der Welligkeit bezeichnet werden.
Wenn nur Zugkräfte erzeugt werden sollen (bedingt durch eine Verkürzung der Linien 8, 13, 14), genügt eine einfache „wellblechartige” Struktur. Wenn auch Druckkräfte erzeugt werden sollen (bedingt durch eine Verlängerung der Linien 8, 13, 14), würde eine solche Struktur aber wegknicken. Deshalb muss eine zusätzliche Knicksteifigkeit gewährleistet sein. Dies erreicht man am besten durch eine zusätzliche Wölbung.
3a zeigt den in 3b durch einen Pfeil gekennzeichneten Schnitt durch eine kreisbogenförmig gewölbte Struktur. In Längsrichtung (im Schnitt 3a) ist die in 2b vorgestellte vereinfachte symbolische Zeichnung mit den Linien 8, 13, 14 und den Polarisationswechsellinien 15 dargestellt. Die in 3b gezeichnete Wölbung gibt der Struktur eine zusätzliche Knicksteifigkeit. Dadurch kann eine solche Struktur auch Druckkräfte übertragen. Dies kann auch durch andersartige Wölbungen oder Knicke erreicht werden. Wichtig ist, dass durch die äußere Formgebung eine Knicksteifigkeit gegeben ist.
Durch eine elektrische Spannung an der inneren Elektrode wird auch hier eine Abstandsänderung der Polarisationswechsellinien 15 und damit eine Längenänderung der Linien 8, 13, 14 erreicht. Solch ein Bauteil kann für viele lineare Verstellmöglichkeiten verwendet werden.
Das in 3b gezeigte gebogene Piezoelement kann grundsätzlich auch als Hohlzylinder dargestellt werden. Dann ist die Ausformung beim Herstellungsvorgang aber nur mit vielen Schiebern zu bewerkstelligen, was sehr aufwändig ist. Deshalb werden mit 4a und 4b symmetrische Kegelstümpfe vorgestellt, die neben der einfachen Ausformbarkeit noch den Vorteil bieten, dass die Parallelverschiebung der Flächen 16 und 17 größer ist als bei einem Zylinder.
4a zeigt einen Schnitt durch einen Hohlkegelstumpf, dessen Mantelfläche wieder die in 1 dargestellte wellige Struktur haben soll. Dies ist wieder symbolisch durch die Linien 8, 13, 14 und die Polarisationswechsellinien 15 gekennzeichnet. Da der Kegelstumpf recht spitz ist, muss der Abstand der Linien 15 (Maß c) groß sein gegenüber den Abständen der Linien 8, 13, 14 (Maße a und b), damit eine Ausformbarkeit gegeben ist. Der in 4b dargestellte flachere Kegelstumpf kann einen kleineren Abstand der Linien 15 im Verhältnis zum Abstand der Linien 8, 13, 14 haben, da bei diesem flacheren Kegelstumpf auch dann eine Ausformbarkeit gegeben ist. Hier ist außerdem dargestellt, dass der Abstand der Linien 8, 13, 14 und der Abstand der Polarisationswechsellinien 15 durchaus variieren kann.
Ein Piezoelement, symbolisiert nach 2b, kann mit kleinerem Abstand c im Verhältnis zu den Abständen a und b größere Wege mit dann kleineren Kräften erzeugen als ein Piezoelement mit größerem Abstand c im Verhältnis zu den Abständen a und b. Ein Kegelstumpf nach 4a ist also für kleinere Wege mit größeren Kräften geeignet, während ein Piezoelement nach 4b für größere Wege mit kleineren Kräften geeignet ist. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch einen weiteren Vorgang. Denn eine Längenänderung der Linien 8, 13, 14 ergibt eine Längenänderung des Kegelstumpfes, das heißt eine Parallelverschiebung von Basis 16 und Stumpfende 17. Diese Parallelverschiebung ist größer als die Längenänderung der Linien 8, 13, 14 und fällt umso größer aus, je flacher der Kegelstumpf ist. Dadurch wird eine weitere Vergrößerung der möglichen Wegänderungen erreicht. Dabei ist ein spitzer Kegelstumpf für größere Kräfte bei dann kleineren Wegen und ein flacher Kegelstumpf für größere Wege mit dann kleineren Kräften geeignet.
Somit können mit solchen Kegelstümpfen breite Anwendungsbereiche optimal abgedeckt werden. Neben Weggebern für lineare Verschiebungen können solche Kegelstümpfe zum Beispiel als Lautsprecher oder als bewegliche Membranen in Pumpen Verwendung finden.
In 5 ist ein Schnitt durch einen spitzen Kegelstumpf mit größerem Abstand der Linien 8, 13, 14 im Verhältnis zum Abstand der Polarisationswechsellinien 15 gezeichnet. Um trotzdem eine leichte Ausformbarkeit zu ermöglichen, ist die gewellte Form der Mantelfläche spiralig ausgeführt, hat also die Form eines konischen Gewindes. Dies ist in 5 durch die versetzt angeordneten Polarisationswechsellinien 15 gekennzeichnet.
Die zur Herstellung dieser spiraligen Oberfläche notwendige innere und äußere Form können also ineinander geschraubt und durch eine entgegengesetzte Schraubbewegung ausgeformt werden. Auch hier bewirkt eine Beaufschlagung der inneren Elektrode mit einer elektrischen Spannung eine Parallelverschiebung der Bereiche 16 und 17. Dies ist eine weitere Möglichkeit eines Piezoelementes für große Wege.
Das in 6 skizzierte Piezoelement ist geeignet, um eine Volumenänderung im Inneren des Elementes zu erzeugen, ohne dass nennenswerte Parallelverschiebungen der Flächen 16 und 17 bewirkt werden. Dies ist zum Beispiel sinnvoll für Pumpenanwendungen, bei denen an den Flächen 16 und 17 Anschlüsse für das Pumpmedium angebracht sind.
Dazu wird hier die wellige Form des Piezoelementes in Umfangsrichtung ausgeführt, ist in der Mitte am stärksten und wird an den Rändern, also bei den Flächen 16 und 17, zu Null. Dies ist durch die gebogenen Linien 18 und 19 angedeutet, wobei die Linie 18 die äußere Kontur und die Linie 19 die inneren Einbuchtungen der Struktur beschreibt.
Wird die gewellte Struktur durch eine elektrische Spannung an der inneren Elektrode gestreckt, so vergrößert sich der Umfang, die Linien 18 und 19 wandern nach außen und das innere Volumen wird größer. Wird die gewellte Struktur durch eine entgegengesetzte elektrische Spannung gestaucht, so bewegen sich die Linien 18 und 19 nach innen und das innere Volumen wird kleiner. Da die Welligkeit zu den Flächen 16 und 17 hin immer kleiner und bei den Flächen zu Null wird, finden an den Rändern keine nennenswerten Bewegungen statt und die Flächen 16 und 17 bleiben weitgehend in Ruhe.
Mit den zugehörigen Ventilen und Anschlüssen kann eine Pumpe realisiert werden. Ein angepasster Innenkörper kann für ein kleineres Minimalvolumen und damit einen höheren Druck sorgen. Ein außen um das Piezoelement angebrachtes (angepasstes) Gehäuse kann auch den Außenraum zu einer Pumpe umbilden, die im entgegengesetzten Rhythmus zur inneren Pumpe arbeitet. Wenn ein Drall des Pumpmediums gewünscht wird, kann die wellige Struktur auch spiralig ausgeführt werden.
Sollen Drehbewegungen in einem begrenzten Winkelbereich, also Schwenkbewegungen, erzeugt werden, ist ein Piezoelement nach 7 geeignet. Dies ist ein in der Regel kreisrundes Element mit dem äußeren Rand 20, einem inneren Loch 21 und einer Aussparung mit dem Winkel d. Die Welligkeit verläuft in Umfangsrichtung mit radial angeordneten Polarisationswechsellinien 15. Die Höhe der Welligkeit soll proportional zum Radius nach außen hin größer werden, das heißt die Höhe der Welligkeit ist proportional zum jeweiligen Abstand der Linien 15.
Wird die innere Elektrode mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, die zu einer Streckung der Welligkeit führt, so ist diese Streckung proportional zum Radius, das Piezoelement führt eine Drehbewegung aus und der Winkel d wird kleiner. Entsprechend wird mit einer entgegengesetzten elektrischen Spannung an der inneren Elektrode eine Stauchung der Welligkeit erreicht und der Winkel d wird größer. Somit können Schwenkbewegungen in einem begrenzten Winkelbereich ausgeführt werden.
Damit das Piezoelement endliche Drehmomente ausüben kann ohne zu knicken, muss es außerdem entsprechend 3b ringförmig gewölbt sein. Der Winkel d im Ruhezustand kann so groß gewählt werden, dass er im gestreckten Zustand nicht zu Null wird. Sollen größere Schwenkbewegungen erzeugt werden, ist es sinnvoll, den Winkel d sehr klein zu wählen. Damit dann noch eine Streckung der Welligkeit ohne Berührung und Behinderung erfolgen kann, muss die Struktur spiralig ausgeführt sein, damit sich die Flächen ungestört übereinander bewegen können.
Die Enden der Piezoelemente müssen eingespannt werden, damit die gewünschten Bewegungen und Kräfte übertragen werden können. Eine Ausführungsmöglichkeit für Elemente nach 3 und 7 wird in 8 skizziert. Dabei soll verhindert werden, dass zusätzliche Momente (durch Drehbewegungen an der Einspannstelle) und Kräfte übertragen werden und die Einspannung sollte mittig erfolgen.
In 8 ist ein Abschnitt eines Piezoelementes vereinfacht nach 2a skizziert mit den bezeichneten Linien 12, 13, 14 und 15. Ein Ende 24 soll eingespannt werden, sollte sich deshalb nicht verformen (am einfachsten zu erreichen, indem es nicht polarisiert wird) und auch keine Drehbewegungen ausführen. Deshalb ist der Abschnitt des Piezoelementes zwischen zusätzlichen Polarisationswechsellinien 22 und 23 genau umgedreht zum rechts davon liegenden Abschnitt ausgeführt und erhält die entgegengesetzte Polarisation. Damit wird in diesem Abschnitt die an der Polarisationswechsellinie 22 vorhandene Drehung an der Polarisationswechsellinie 23 genau kompensiert und der Abschnitt 24 führt keine Drehbewegungen aus. Abschnitt 24 kann deshalb eingespannt und mit Kontakten versehen werden. Wird am anderen Ende des Piezoelementes auch ein nach diesem Prinzip funktionierender Abschluss verwirklicht, kann die hier erzeugte Bewegung ohne zusätzliche Drehbewegungen abgegriffen werden und das Piezoelement ist komplett.
Bei den Piezoelementen nach 4 und 5 kann die Kraftübertragung auch außermittig erfolgen, da sich die so erzeugten Momente in der runden Struktur kompensieren. Hier kann deshalb die Übertragung am Minimum oder Maximum der welligen Form erfolgen, wo ebenfalls keine Drehung stattfindet.
In 1 ist eine Struktur skizziert, die aus kreisförmig gebogenen und geraden Abschnitten besteht. Wenn diese Struktur durch eine Spannung an der inneren Elektrode 3 gestreckt wird, werden die geraden Abschnitte in eine entgegengesetzte Krümmung gebogen. Es ergeben sich also innerhalb eines Abschnittes (zwischen benachbarten Polaritätswechselgrenzen) gegeneinander gerichtete Krümmungen.
Grundsätzlich kann dieses Piezoelement schon von der Grundform her innerhalb eines Abschnittes entgegengesetzte Krümmungen aufweisen (eine Form, die sich zum Beispiel in 1 im gestreckten Zustand ergibt). Dann verringert sich aber die Effektivität der Umsetzung der Biegungsänderung in eine Längenänderung, weil die Hebelwirkung der Bereiche in der Nähe der Mittellinie 8 verringert wird.
Am günstigsten ist eine Struktur, die innerhalb von benachbarten Polaritätswechselgrenzen nur in eine Richtung und überall so stark gekrümmt ist, dass im gestreckten Zustand höchstens gerade, aber nicht entgegengesetzt gekrümmte Bereiche auftreten. Damit wird eine Struktur mit einem Krümmungsverlauf in Annäherung an 2a günstiger sein als eine Struktur in Annäherung an 1.
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004055996 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Piezoelementes aus gießbarem, pressbarem oder prägbarem und polarisierbarem piezofähigem Material, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schichten (1, 2) aus piezofähigem Material über eine als leitfähige Schicht ausgebildete innere Elektrode (3) fest miteinander verbunden werden, dass die Schichten (1, 2) in eine wellige Form gebracht werden, wobei Schnittpunkte der inneren Elektrode (3) mit einer fiktiven Mittellinie (8) Grenzen (9, 10, 11, 15) definieren, dass die innere Elektrode (3) zwischen unmittelbar benachbarten Grenzen nur auf einer Seite der fiktiven Mittellinie (8) angeordnet wird und in den direkt angrenzenden Bereichen bis zur nächsten Grenze auf der anderen Seite der fiktiven Mittellinie (8) angeordnet wird, dass zur Polarisierung der Schichten (1, 2) Elektroden an den äußeren Rändern dieser Schichten (1, 2) parallel zur inneren Elektrode (3) angebracht werden, dass die Elektroden an durch die Schnittpunkte mit einer fiktiven Mittellinie (8) definierten Grenzen (9, 10, 11, 15) durch Streifen aus Isoliermaterial voneinander getrennt werden, dass die Elektroden in Bereichen (4, 6) auf der der fiktiven Mittellinie (8) abgewandten Seite mit einem Pol einer Polarisierungs-Spannungs-Quelle und die Elektroden in Bereichen (5, 7) auf der der fiktiven Mittellinie (8) zugewandten Seite mit dem anderen Pol der Polarisierungs-Spannungs-Quelle verbunden werden, so dass sich nach dem Polarisierungsvorgang an allen Grenzen (9, 10, 11, 15) die Polarisierungsrichtung umkehrt, dass nach Fertigstellung der Schichten (1, 2) die Elektroden zur Polarisierung und die Streifen aus Isoliermaterial durch durchgehende äußere Elektroden ersetzt werden, dass die äußeren Elektroden mit einem gemeinsamen elektrischen Anschluss versehen werden, und dass die innere Elektrode (3) mit einem elektrischen Anschluss versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen (15) ringförmig parallel auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet werden, dass die innere Elektrode (3) wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet wird und dass die Höhe der Welligkeit im Verhältnis zum Abstand der Grenzen (15), zur Form der Welligkeit und zum Neigungswinkel des Kegelstumpfes so abgestimmt wird, dass keine Hinterschneidungen auftreten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Grenze (15) spiralförmig auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet wird, dass die innere Elektrode (3) wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet wird und dass die innere und äußere Kontur der Schichten (1, 2) konusschraubenförmig ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wellige Struktur der inneren Elektrode (3) in Umfangsrichtung auf einer kegelstumpfartigen Mantelfläche angeordnet wird und dass die Höhe der Welligkeit zu den Rändern (16, 17) hin immer kleiner wird und an den Rändern (16, 17) gleich null wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ende (24) ohne Piezoeigenschaften als mindestens ein Abschluss des Piezoelementes angeordnet wird, dass dieses Ende (24) an einer Position eines Piezoelementes angeordnet wird, an der die Schichten (1, 2) und die innere Elektrode (3) keine Drehungen ausführen, dass diese Drehungsfreiheit durch zwei zusätzliche Grenzen (22, 23) erreicht wird, dass das Piezoelement an beiden Enden drehfrei ausgebildet wird und dass mindestens ein Ende mit mindestens einem elektrischen Anschluss versehen wird.
Piezoelement aus piezofähigem Material, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement zwei Schichten (1, 2) aus piezofähigem Material aufweist, dass die zwei Schichten (1, 2) über eine durch eine leitfähige Schicht ausgebildete innere Elektrode (3) miteinander verbunden sind, dass die Schichten (1, 2) eine wellige Form mit einer fiktiven Mittellinie (8) aufweisen, dass die innere Elektrode (3) durch Schnittpunkte mit der fiktiven Mittellinie (8) definierte Grenzen (9, 10, 11, 15) aufweist, dass die innere Elektrode (3) zwischen unmittelbar benachbarten Grenzen nur auf einer Seite der fiktiven Mittellinie (8) angeordnet ist, dass die innere Elektrode (3) in dem angrenzenden Bereich, der sich bis zu einer nächsten Grenze erstreckt, auf der anderen Seite der fiktiven Mittellinie (8) angeordnet ist, dass die Schichten (1, 2) in mindestens einem zwischen zwei Grenzen (9, 10, 11, 15) angeordneten ersten Abschnitt eine erste Polarisierungsrichtung aufweisen, dass die Schichten (1, 2) in mindestens einem zweiten Abschnitt, der durch eine Grenze (9, 10, 11, 15) von dem ersten Abschnitt getrennt ist, eine zweite Polarisierungsrichtung aufweisen und dass die Schichten (1, 2) mindestens eine durchgehende äußere Elektrode aufweisen.
Piezoelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Elektroden einen gemeinsamen elektrischen Anschluss aufweisen und dass die innere Elektrode (3) einen elektrischen Anschluss aufweist.
Piezoelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Abschnitte der inneren Elektrode (3) zwischen unmittelbar benachbarten Grenzen (9, 10, 11, 15) zur fiktiven Mittellinie (8) hin gekrümmt sind.
Piezoelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wellige Struktur der inneren Elektrode (3) eine zusätzliche Wölbung um parallel zur fiktiven Mittellinie (8) verlaufende Achsen aufweist oder auf Linien parallel zur Mittellinie (8) geknickt ist.
Piezoelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen (15) ringförmig parallel auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet sind, dass die innere Elektrode (3) wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet ist und dass eine Höhe der Welligkeit im Verhältnis zum Abstand der Grenzen (15), zu der Form der Welligkeit und zum Neigungswinkel des Kegelstumpfes so abgestimmt ist, dass keine Hinterschneidungen auftreten.
Piezoelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grenze (15) spiralförmig auf einem fiktiven Kegelstumpf angeordnet ist, dass die innere Elektrode (3) wellig um diesen Kegelstumpf angeordnet ist und dass die innere und äußere Kontur der Schichten (1, 2) konusschraubenförmig ausgeführt sind.
Piezoelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wellige Struktur der inneren Elektrode (3) in Umfangsrichtung auf einer kegelstumpfartigen Mantelfläche angeordnet ist, dass die Höhe der Welligkeit zu den Rändern (16, 17) kleiner wird und dass die Höhe der Welligkeit an den Rändern (16, 17) gleich null wird.
Piezoelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement zumindest abschnittsweise rund ausgeführt ist, dass die wellige Struktur der inneren Elektrode (3) in Umfangsrichtung mit radial verlaufenden Grenzen (15) ausgeführt ist, dass die Höhe der Welligkeit proportional zum Radius ausgeführt ist, dass das zumindest abschnittsweise kreisrunde Piezoelement eine durch einen Rand (21) begrenzte innere Öffnung aufweist, dass das zumindest abschnittsweise kreisrund ausgeführte Piezoelement eine Aussparung aufweist.
Piezoelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement mindestens ein Ende (24) ohne Piezoeigenschaften aufweist, dass das Ende (24) an einer Stelle des Piezoelementes angeordnet ist, an der die Schichten (1, 2) und die innere Elektrode (3) keine Drehung ausführen.