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Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Vorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste piezoelektrische Vorrichtungen bekannt, die sich hinsichtlich Aufbau, Funktionsweise und Anwendung unterscheiden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 011 047 A1 ist beispielsweise ein Biegewandler mit einem mechanischen Träger und beidseitig darauf aufgebrachten piezoelektrisch aktiven Elementen bekannt. Der Träger ist entweder aus einem Isoliermaterial oder aus Metall ausgebildet. Die Dicke des Trägers liegt zwischen 0,2 und 3 mm. Um unter Meidung von Brüchen eine hohe Biegebelastung zu ermöglichen, sind außenseitig auf den Schichtaufbau unter Vorspannung aufgebrachte Schutzschichten vorgesehen, wobei der Schichtaufbau sandwichartig zwischen den folienartigen Schutzschichten eingeklebt ist.
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Die Druckschrift
DE 32 31 117 A1 offenbart einen piezoelektrischen Koppler mit einer Primär- und einer Sekundärelektrode. Eine primäre Piezokeramik und eine sekundäre Piezokeramik sind ganzflächig mit einer 15 µm dicken Silberschicht metallisiert und durch eine hochisolierende Kunststofffolie voneinander getrennt. Die metallisierten Piezokeramiken sind durch Klebeschichten aus Prepreg oder Kunstharz mit der Kunststofffolie verbunden.
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Die Druckschrift
DE 10 2018 127 651 A1 betrifft einen einen Schichtaufbau aufweisenden elektromechanischen Wandler. Der Schichtaufbau weist eine erste Schicht auf, die als elektrische Abschirmung dient. Daran schließt sich eine Klebeschicht an. Eine dritte Schicht umfasst einen elektromechanischen Sensor. Es folgen eine weitere Klebeschicht und eine Zwischenschicht. Die sich rückseitig an die Zwischenschicht anschließenden Schichten entsprechen dem vorderseitigen Aufbau, wodurch sich zwei identische, durch die Zwischenschicht getrennte Sensoren ergeben.
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Ein piezoelektrisches Dünnfilm-Bimorphelement mit einer dünnen Metallplatte ist in der Druckschrift
DE 600 00 948 T2 beschrieben. Auf beiden Flächen der Metallplatte ist jeweils durch Zerstäuben ein piezoelektrischer Dünnfilm aufgebracht, wobei Polarisationszustände der piezoelektrischen Dünnfilme während des Zerstäubens gesteuert werden. Auf der Metallplatte jeweils gegenüberliegenden Flächen der piezoelektrischen Dünnfilme weisen diese jeweils einen Elektrodenfilm auf. Die piezoelektrischen Dünnschichten bestehen aus mehreren gestapelten piezoelektrischen (Kristall-)Schichten.
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Die Druckschrift
EP 1 544 927 A2 offenbart ein piezoelektrisches Element mit einem streifenförmigen Substrat und einem darauf ausgebildeten Schichtaufbau. Der Schichtaufbau weist eine erste Elektrodenschicht, einen geschichteten piezoelektrischen Film und eine zweite Elektrodenschicht auf. Der geschichtete piezoelektrische Film besteht aus einem ersten piezoelektrischen Film und einem zweiten piezoelektrischen Film, der auf dem ersten piezoelektrischen Film ausgebildet ist und dessen Kristallorientierung durch den ersten piezoelektrischen Film gesteuert wird. Der erste piezoelektrische Film und der zweite piezoelektrische Film bestehen jeweils aus einem Aggregat säulenförmiger Kristallkörner.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene piezoelektrische Lautsprecheranordnungen bekannt, die Papier als flexibles und mit unterschiedlichen Funktionslagen bedruckbares Trägermaterial nutzen.
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So geht aus der Druckschrift
EP 3 405 011 A1 eine Lautsprechervorrichtung hervor, die dadurch hergestellt wird, dass auf eine Papierlage ein Lagenstapel bestehend aus zwei elektrisch leitfähigen Elektrodenlagen mit einer dazwischen befindlichen piezoelektrischen Lage gedruckt wird, diese bedruckte Papierlage mit Harz imprägniert wird und daraufhin diese Anordnung mit einer weiteren, nicht bedruckten, mit Harz imprägnierten Papierlage durch Heißlaminieren verbunden wird.
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In dem Artikel von A. C. Hübler, M. Bellmann, G. C. Schmidt, S. Zimmermann, A. Gerlach und C. Haentjes „Fully mass printed loudspeakers on paper“, Organic Electronics 13 (2012) S. 2290 - 2295 ist eine flexible Lautsprecheranordnung beschrieben, die aus einem Papiersubstrat und einem darauf gedruckten Lagenstapel aus zwei Elektroden mit einer zwischen den Elektroden befindlichen piezoelektrischen Lage ausgebildet ist.
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Aus dem Stand der Technik ist auch ein „sprechendes Buch“ (T-Book) bekannt. Dabei handelt es sich um beidseitig mit organischen Polymeren bedrucktes Papier. Das Papier kann mittels elektrischer Spannung zum Schwingen angeregt werden, wodurch dieses Töne erzeugt. Entsprechend hergestellte Buchseiten lassen sich zur Tonerzeugung verwenden (BMB: Sprechendes Papier auf der Frankfurter Buchmesse. URL: https://www.bmbf.de/de/sprechendes-papier-auf-der-frankfurter-buchmesse-4963.html [abgerufen am 14.10.2020]).
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Die Leistungsfähigkeit von Piezoaktoren und -sensoren kann erheblich erhöht werden, wenn Multilagenarchitekturen ausgebildet werden. Mit solchen Multipiezolagen-Architekturen kann bei Nutzung des indirekten Piezoeffektes eine höhere Stell- oder Auslenkkraft bei gleich hoher angelegter Spannung realisiert werden oder bei Nutzung des direkten Piezoeffektes eine größere Spannung bei gleicher Krafteinwirkung generiert werden.
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Insbesondere im Bereich der Dünnschichttechnologie können Schichtstapel mit mehreren aktiven Piezo- und Elektrodenschichten hergestellt werden. Die Schichten können beispielsweise unter Verwendung von Drucktechnologien auf ein vorzugsweise flexibles Substrat aufgebracht werden. Die Piezoschichten bestehen aus ferroelektrischem Material, wie ferroelektrischen Polymeren oder Keramiken. Die Elektrodenschichten werden aus elektrisch leitfähigem Material, wie elektrisch leitfähigen Polymeren oder Metallpartikeltinten, ausgebildet.
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Entsprechend ist in der Druckschrift
EP 3 073 541 A1 eine stapelförmig aufgebaute, piezoelektrische Vorrichtung beschrieben, die zwei Elektroden aufweist, zwischen welchen eine mit einem Additiv versetzte Papierlage mit piezoelektrischen Eigenschaften und Polyimidschichten vorgesehen sind. In einer Variante ist auf dieser Anordnung eine weitere piezoelektrische Lage vorgesehen, auf der eine dritte Elektrode angeordnet ist.
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Der Artikel von X. Qiu, G. C. Schmidt, P. M. Panicker, R. A. Q. Soler, A. J. Benjamin und A. C. Hübler „Fully printed piezoelectric polymer loudspeakers with enhanced acoustic performance“, Advanced Engineering Materials 2019, 21, 1900537, S. 1 -8 offenbart eine gedruckte Lautsprecherstruktur auf Basis piezoelektrischer Polymerlagen und darauf vorgesehener Elektrodenlagen, die jeweils beidseitig eines Papiersubstrates angeordnet sind.
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Die bekannten piezoelektrischen Lautsprecheranordnungen weisen typischerweise wenigstens zwei Elektroden und ein jeweils dazwischen befindliches piezoelektrisches Material auf. Die beiden Elektroden werden durch das piezoelektrische Material voneinander elektrisch getrennt. Dabei besteht das Problem, dass diese elektrische Trennung zuverlässig funktionieren muss. Das heißt, der Leckstrom zwischen den Elektroden darf bei angelegter Spannung nur sehr klein sein. Diese Forderung zuverlässig umzusetzen, ist gerade bei großen Flächen, wie sie typischerweise bei piezoelektrischen Aktoren vorkommen, aufgrund von Fehlstellen, Pinholes, Verunreinigungen usw. schwierig.
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Bei einlagigen Piezobauteilen können derartige Fehlstellen meist während eines Polarisationsvorganges eliminiert werden. Bei einem solchen Polarisationsvorgang wird eine hohe Spannung zwischen den Elektroden des Piezobauteils angelegt. Fehlstellen in einer ferroelektrischen Schicht ergeben meist Orte mit besonders hohem Stromfluss. Dadurch kommt es an diesen Orten zu einer kurzzeitigen starken lokalen Erwärmung, infolge welcher wenigstens eine der Elektroden punktuell verdampft, was wiederum einen Zusammenbruch des Stromflusses bewirkt. Die Fehlstelle heilt sich also bei dem Polarisationsvorgang von selbst.
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Bei konventionellen, auf einem Substrat gestapelten Multilagen-Piezoarchitekturen funktioniert dieser Mechanismus jedoch nur unzureichend, da sich eine punktuelle starke Erwärmung innerhalb einer Funktionsschicht zumeist auf die weiteren Funktionsschichten der Multilagen-Piezoarchitektur negativ auswirkt. Das heißt, es kommt zumeist nicht zu dem oben beschriebenen Selbstheilungseffekt, sondern das gesamte Bauteil wird während der Polarisation zerstört.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Vorrichtung mit Multilagen-Architektur und dennoch hoher Qualität sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen. Ferner soll eine vorteilhafte Nutzungsmöglichkeit für eine solche piezoelektrische Vorrichtung vorgeschlagen werden.
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Die Aufgabe wird zum einen durch eine piezoelektrische Vorrichtung gelöst, die eine Stapelanordnung aus
- - zwei einander gegenüberliegenden Decklagen oder Decklagenbereichen, die jeweils aus wenigstens einem flächigen, nichtstarren Substrat aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material ausgebildet sind;
- - wenigstens zwei zwischen den Decklagen oder Decklagenbereichen befindlichen und übereinanderliegenden piezoelektrischen Einheiten, die jeweils aus einer inneren Elektrodenlage und einer äußeren Elektrodenlage und wenigstens einer zwischen der jeweiligen inneren und äußeren Elektrodenlage liegenden piezoelektrischen Lage ausgebildet sind; und
- - einer zwischen den piezoelektrischen Einheiten liegenden, elektrisch isolierenden Sperrlage
aufweist, wobei einander direkt benachbarte piezoelektrische Lagen zumindest teilweise miteinander verschmolzen sind und/oder einander gegenüber angeordnete piezoelektrische Lagen durch wenigstens eine zwischen diesen piezoelektrischen Lagen befindliche Schmelzklebschicht verbunden sind.
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Durch den Lagenaufbau, der wenigstens zwei piezoelektrischen Einheiten beinhaltet, wird eine hohe piezoelektrische Sensitivität zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung die darin enthaltene Elektronik von außen nicht sichtbar, wodurch sich vielfältige Anwendungsbereiche ergeben. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße piezoelektrische Vorrichtung als piezoelektrisches Lautsprecherpapier mit Multilayer-Architektur ausgebildet werden.
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Erfindungsgemäß sind einander direkt benachbarte piezoelektrische Lagen zumindest teilweise miteinander verschmolzen und/oder einander gegenüber angeordnete piezoelektrische Lagen durch wenigstens eine zwischen diesen piezoelektrischen Lagen befindliche Schmelzklebschicht verbunden.
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Vorzugsweise ist die Sperrlage wenigstens teilweise aus wenigstens einem flächigen, nichtstarren Substrat und/oder wenigstens einer Klebschicht ausgebildet, das/die aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material ausgebildet ist/sind.
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Vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich, wenn wenigstens eines der flächigen, nichtstarren Substrate wenigstens ein Papierblatt und/oder wenigstens eine Folie ist. Papier und viele Folien sind elektrisch isolierend und darüber hinaus beispielsweise bedruckbar, sodass diese Materialien die Elektrodenlagen gut elektrisch abschirmen können und zudem beispielsweise Sichtoberflächen von Buchseiten bilden können.
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In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Sperrlage dicker als jede der Decklagen oder jedes der Decklagenbereiche. Dies betrifft Ausführungsformen der Erfindung, in welchen die als Mittellage innerhalb der piezoelektrischen Vorrichtung angeordnete Sperrlage aus wenigstens einem flächigen, nichtstarren Substrat, wie aus wenigstens einem Papierblatt oder einer Papierbahn ausgebildet ist und als Decklagen dünnere Lagen, wie beispielsweise Folien, eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich ein Lagenaufbau, der in seiner Gesamtdicke dem einer normalen Buchseite sehr ähnlich ist, also eine hohe Flexibilität besitzt, wobei dennoch eine gute elektrische Isolation zwischen den Elektrodenlagen der piezoelektrischen Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn zwei der jeweiligen inneren Elektrodenlagen miteinander elektrisch verbunden sind und/oder zwei der jeweiligen äußeren Elektrodenlagen miteinander elektrisch verbunden sind. Dies vereinfacht die elektrische Anschlusstechnik.
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In einer besonders praktikablen Ausführungsform der Erfindung verläuft/verlaufen die elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen inneren Elektrodenlagen und/oder die elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen äußeren Elektrodenlagen durch wenigstens eine Aussparung in der Sperrlage hindurch. Somit können elektrische Verbindungsleitungen in den Lagenaufbau integriert werden, wodurch die Gesamtanordnung kompakter wird.
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Die Aufgabe wird außerdem durch ein Buch mit wenigstens einer Buchseite oder wenigstens einem Buchdeckel, die oder der eine piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist oder aufweist, wobei wenigstens eine Sichtoberfläche wenigstens eines der flächigen, nichtstarren Substrate mit Text und/oder wenigstens einem Bild versehen ist, gelöst. Der Text und/oder das wenigstens eine Bild kann auf eine Außenoberfläche wenigstens eines, eine Decklage der piezoelektrischen Vorrichtung ausbildenden Substrates gedruckt, geklebt, gesprüht und/oder gemalt sein. Die Buchseiten können auch beidseitig bedruckt, beklebt, besprüht und/oder bemalt sein. Ein oder mehrere Buchseiten dieses Buches können jedoch auch unbedruckt, also einfach weiß, sein.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung gelöst, wobei wenigstens zwei, aus wenigstens einem flächigen, nichtstarren Substrat aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material ausgebildete Decklagen oder Decklagenbereiche jeweils einseitig mit wenigstens einem Außenlagenstapel, der wenigstens eine äußere Elektrodenlage und wenigstens eine darauf gedruckte äußere piezoelektrische Lage aufweist, bedruckt werden; und
- - eine aus wenigstens einem flächigen, nichtstarren Substrat aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material ausgebildete Sperrlage jeweils beidseitig mit einem Innenlagenstapel, der wenigstens eine innere Elektrodenlage und wenigstens eine darauf ausgebildete innere piezoelektrische Lage aufweist, bedruckt wird; die so bedruckte Sperrlage flächig zwischen zwei der jeweils mit dem Außenlagenstapel bedruckten Decklagen angeordnet wird; und danach die jeweils inneren piezoelektrischen Lagen mit den jeweils äußeren piezoelektrischen Lagen durch Heißlaminierung verbunden werden;
und/oder - - jeweils auf die jeweiligen äußeren piezoelektrischen Lagen entweder wenigstens eine innere piezoelektrische Lage und darauf wenigstens eine innere Elektrodenlage oder nur wenigstens eine innere Elektrodenlage gedruckt wird; danach auf wenigstens eine der inneren Elektrodenlagen eine Klebschicht als Sperrlage gedruckt wird; daraufhin die so bedruckten Decklagen oder Decklagenbereiche so aufeinander gelegt werden, dass die nicht mit den Elektrodenlagen und den piezoelektrischen Lagen bedruckten Seiten der Decklagen oder Decklagenbereiche außen sind; und danach die bedruckten Decklagen oder Decklagenbereiche durch Heißlaminierung verbunden werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Decklagenbereiche aus einem einzigen, flächigen, nichtstarren Substrat aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material ausgebildet, das gefaltet wird, bevor die bedruckten Decklagenbereiche durch die Heißlaminierung verbunden werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
- 1 schematisch einen Schichtaufbau einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung mit drei Substraten sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
- 2 schematisch einen Schichtaufbau einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung mit zwei Substraten und einer Klebschicht sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
- 3 schematisch einen Schichtaufbau einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung mit drei Substraten und zwei Klebschichten sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
- 4 schematisch einen Schichtaufbau einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung mit einem gefalteten Substrat und einer Klebschicht sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
- 5 schematisch eine erste Variante zur elektrischen Verbindung von Elektrodenlagen der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemä-ßen piezoelektrischen Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
- 6 schematisch eine zweite Variante zur elektrischen Verbindung von Elektrodenlagen der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung mittels Durchkontaktierungen in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
- 7 schematisch einen Schichtaufbau einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung mit einem mittleren, einseitig überstehenden Substrat, zwei äußeren, gefalteten Substraten sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt; und
- 8 schematisch eine Draufsicht auf ein aus der in 7 gezeigten fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung ausgebildetes, aufgeschlagenes Buch zeigt.
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1 zeigt schematisch einen Schichtaufbau einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung 10a mit drei Substraten sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten 5, 6 in einer geschnittenen Seitenansicht.
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Zwei der Substrate fungieren als Decklagen 1, 2, während das dritte Substrat eine Sperrlage 3 bildet. Die Decklagen 1, 2 als auch die Sperrlage 3 sind bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10a flächige, nichtstarre Substrate aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Decklagen 1, 2 und die Sperrlage 3 jeweils aus Papier ausgebildet. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Decklagen 1, 2 und die Sperrlage 3 auch jeweils aus einer Folie ausgebildet sein. Ferner können die Decklagen 1, 2 aus Papier und die Sperrlage 3 aus Folie und umgekehrt ausgebildet sein.
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Die sich zwischen einer ersten Decklage 1 und der Sperrlage 3 befindliche erste piezoelektrische Einheit 5 weist eine auf der ersten Decklage 1 ausgebildete erste äußere Elektrodenlage 11, eine auf der ersten äußeren Elektrodenlage 11 ausgebildete erste äußere piezoelektrische Lage 21, eine erste innere piezoelektrische Lage 23a und eine erste innere Elektrodenlage 13a auf.
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Die sich zwischen der Sperrlage 3 und einer zweiten Decklage 2 befindliche zweite piezoelektrische Einheit 6 weist eine auf der Sperrlage 3 ausgebildete zweite innere Elektrodenlage 13b, eine auf der zweiten inneren Elektrodenlage 13b ausgebildete zweite innere piezoelektrische Lage 23b, eine zweite äußere piezoelektrische Lage 22 und eine zweite äußere Elektrodenlage 12 auf.
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Bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10a ist die erste äußere piezoelektrische Lage 21 mit der ersten inneren piezoelektrischen Lage 23a wenigstens teilweise verschmolzen und ist die zweite äußere piezoelektrische Lage 22 mit der zweiten inneren piezoelektrischen Lage 23b wenigstens teilweise verschmolzen.
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2 zeigt schematisch einen Schichtaufbau einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung 10b mit zwei Substraten und einer Klebschicht sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten 5', 6' in einer geschnittenen Seitenansicht.
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Die beiden Substrate fungieren als Decklagen 1, 2, während die Klebschicht eine Sperrlage 4 bildet. Die Decklagen 1, 2 sind bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10b flächige, nichtstarre Substrate aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Decklagen 1, 2 jeweils aus Papier ausgebildet. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Decklagen 1, 2 auch jeweils aus einer Folie ausgebildet sein.
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Die sich zwischen einer ersten Decklage 1 und der Sperrlage 4 befindliche erste piezoelektrische Einheit 5' weist eine auf der ersten Decklage 1 ausgebildete erste äußere Elektrodenlage 11, eine auf der ersten äußeren Elektrodenlage 11 ausgebildete erste äußere piezoelektrische Lage 21, eine erste innere piezoelektrische Lage 24a und eine erste innere Elektrodenlage 14a auf.
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Die sich zwischen der Sperrlage 4 und einer zweiten Decklage 2 befindliche zweite piezoelektrische Einheit 6' weist eine zweite innere Elektrodenlage 14b, eine zweite innere piezoelektrische Lage 24b, eine zweite äußere piezoelektrische Lage 22 und eine zweite äußere Elektrodenlage 12 auf.
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Durch die Klebschicht 4 sind die erste piezoelektrische Einheit 5' und die zweite piezoelektrische Einheit 6' miteinander verklebt.
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Ferner ist die erste äußere piezoelektrische Lage 21 mit der ersten inneren piezoelektrischen Lage 24a wenigstens teilweise verschmolzen und ist die zweite äußere piezoelektrische Lage 22 mit der zweiten inneren piezoelektrischen Lage 24b wenigstens teilweise verschmolzen.
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3 zeigt schematisch einen Schichtaufbau einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung 10c mit drei Substraten und zwei Klebschichten sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten 5', 6', 5", 6" in einer geschnittenen Seitenansicht.
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Zwei der Substrate fungieren als Decklagen 1, 2, während das dritte Substrat eine Sperrlage 3 und die Klebschichten Sperrlagen 4, 4' bilden. Die Decklagen 1, 2 als auch die Sperrlage 3 sind bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10c flächige, nichtstarre Substrate aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Decklagen 1, 2 und die Sperrlage 3 jeweils aus Papier ausgebildet. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Decklagen 1, 2 und die Sperrlage 3 auch jeweils aus einer Folie ausgebildet sein. Ferner können die Decklagen 1, 2 aus Papier und die Sperrlage 3 aus Folie und umgekehrt ausgebildet sein.
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Die sich zwischen einer ersten Decklage 1 und der Sperrlage 4 befindliche piezoelektrische Einheit 5' weist eine auf der ersten Decklage 1 ausgebildete erste äußere Elektrodenlage 11, eine auf der ersten äußeren Elektrodenlage 11 ausgebildete erste äußere piezoelektrische Lage 21, eine erste innere piezoelektrische Lage 24a und eine erste innere Elektrodenlage 14a auf.
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Die sich zwischen der Sperrlage 4 und der Sperrlage 3 befindliche piezoelektrische Einheit 6' weist eine zweite innere Elektrodenlage 14b, eine zweite innere piezoelektrische Lage 24b, eine weitere erste innere piezoelektrische Lage 23a und eine weitere erste innere Elektrodenlage 13a auf.
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Die sich zwischen der Sperrlage 3 und der Sperrlage 4' befindliche piezoelektrische Einheit 6" weist eine weitere zweite innere Elektrodenlage 13b, eine weitere zweite innere piezoelektrische Lage 23b, eine weitere erste innere piezoelektrische Lage 24a' und eine weitere erste innere Elektrodenlage 14a' auf.
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Die sich zwischen der Sperrlage 4' und der zweiten Decklage 2 befindliche piezoelektrische Einheit 5" weist eine weitere zweite innere Elektrodenlage 14b`, eine weitere zweite innere piezoelektrische Lage 24b', eine weitere erste äußere piezoelektrische Lage 22 und eine weitere erste äußere Elektrodenlage 12 auf.
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Bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10c ist die erste äußere piezoelektrische Lage 21 mit der ersten inneren piezoelektrischen Lage 23a wenigstens teilweise verschmolzen und ist die zweite äußere piezoelektrische Lage 22 mit der zweiten inneren piezoelektrischen Lage 24a wenigstens teilweise verschmolzen. Ferner ist die zweite innere piezoelektrische Lage 24b mit der weiteren inneren piezoelektrischen Lage 23a verschmolzen. Außerdem ist die weitere innere piezoelektrische Lage 23b mit der weiteren inneren piezoelektrische Lage 24a' wenigstens teilweise verschmolzen. Darüber hinaus ist die weitere zweite innere piezoelektrische Lage 24b' mit der zweiten äußeren piezoelektrischen Lage 22 wenigstens teilweise verschmolzen.
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4 zeigt schematisch einen Schichtaufbau einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung 10d mit einem gefalteten Substrat 1' und einer Klebschicht 4 sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten 5', 6' in einer geschnittenen Seitenansicht.
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Das U-förmig gefaltete Substrat 1' weist durch die Faltung mehrere Bereiche auf: eine ersten Decklagenbereich 1b, einen zweiten Decklagenbereich 1b' und einen den ersten Decklagenbereich 1b mit dem zweiten Decklagenbereich 1b' verbindenden Decklagenverbindungsbereich 1b'' auf. Der erste und der zweite Decklagenbereich 1b, 1b' bilden die Schenkel des U und liegen somit parallel zueinander. In dem Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Decklagenbereich 1b, 1b' liegen die beiden, durch die Klebschicht 4 verbundenen piezoelektrischen Einheiten 5', 6'.
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Die sich zwischen einer ersten Decklage 1 und der Sperrlage 4 befindliche erste piezoelektrische Einheit 5' weist eine auf der ersten Decklage 1 ausgebildete erste äußere Elektrodenlage 11, eine auf der ersten äußeren Elektrodenlage 11 ausgebildete erste äußere piezoelektrische Lage 21, eine erste innere piezoelektrische Lage 24a und eine erste innere Elektrodenlage 14a auf.
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Die sich zwischen der Sperrlage 4 und einer zweiten Decklage 2 befindliche zweite piezoelektrische Einheit 6' weist eine zweite innere Elektrodenlage 14b, eine zweite innere piezoelektrische Lage 24b, eine zweite äußere piezoelektrische Lage 22 und eine zweite äußere Elektrodenlage 12 auf.
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5 zeigt schematisch eine erste Variante zur elektrischen Verbindung der Elektrodenlagen 11 und 12 bzw. 13a und 13b der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung 10a in einer geschnittenen Seitenansicht. Die in 5 gezeigte, die elektrischen Verbindungen aufweisende piezoelektrische Vorrichtung 10a' basiert auf der piezoelektrischen Vorrichtung 10a, weshalb hier vollumfänglich auf die obige Beschreibung verwiesen wird. Zusätzlich sind bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10a' eine elektrische Verbindungsleitung 7 zwischen den inneren Elektrodenlagen 13a und 13b sowie zwischen eine elektrische Verbindungsleitung 8 zwischen den äußeren Elektrodenlagen 11 und 12 vorgesehen.
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Auf analoge Weise können auch die inneren Elektrodenlagen 13a und 13b bzw. 14a und 14b bzw. 14a' und 14b' sowie die äußeren Elektrodenlagen 11 und 12 der piezoelektrischen Vorrichtungen 10b, 10c und 10d elektrisch miteinander verbunden werden.
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6 zeigt schematisch eine zweite Variante zur elektrischen Verbindung von Elektrodenlagen 11 und 12 bzw. 13a und 13b der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung 10a in einer geschnittenen Seitenansicht. Die in 6 gezeigte, die elektrischen Verbindungen aufweisende piezoelektrische Vorrichtung 10a'' basiert auf der piezoelektrischen Vorrichtung 10a, weshalb hier vollumfänglich auf die obige Beschreibung verwiesen wird.
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Allerdings sind bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10a'' die inneren Elektrodenlagen als einstückige, U-förmige innere Elektrode mit den Abschnitten 13a, 13b und 13c ausgebildet und auch die äußeren Elektrodenlagen sind als einstückige, U-förmige äußere Elektrode mit den Abschnitten 11 a, 11 b und 11c ausgebildet. Hierfür weist bei dieser Ausführungsform der Erfindung die Sperrlage 3 Perforierungen oder Löcher auf, durch die das Elektrodenmaterial unter Ausbildung eines Verbindungsabschnittes 13c der inneren Elektrode und eines Verbindungsabschnittes 11c der äußeren Elektrode hindurchgeführt ist. Die Perforierungen oder Löcher können beispielsweise durch Lasern, Stanzen oder Ätzen erzeugt werden.
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Auf analoge Weise können auch die inneren Elektrodenlagen 13a und 13b bzw. 14a und 14b bzw. 14a' und 14b' sowie die äußeren Elektrodenlagen 11 und 12 der piezoelektrischen Vorrichtungen 10b, 10c und 10d elektrisch miteinander verbunden werden.
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7 zeigt schematisch einen Schichtaufbau einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung 10e mit einem mittleren, einseitig überstehenden Substrat, zwei äußeren, gefalteten Substraten sowie jeweils dazwischen befindlichen piezoelektrischen Einheiten 5, 6 in einer geschnittenen Seitenansicht.
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Die beiden äußeren, gefalteten Substrate fungieren als Decklagen 1a, 2a, während das dritte, mittlere Substrat eine Sperrlage 3 bildet. Die Decklagen 1a, 2a als auch die Sperrlage 3 sind bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10e flächige, nichtstarre Substrate aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Decklagen 1a, 2a und die Sperrlage 3 jeweils aus Papier ausgebildet. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Decklagen 1a, 2a und die Sperrlage 3 auch jeweils aus einer Folie ausgebildet sein. Ferner können die Decklagen 1a, 2a aus Papier und die Sperrlage 3 aus Folie und umgekehrt ausgebildet sein.
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Die sich zwischen einer ersten Decklage 1a und der Sperrlage 3 befindliche erste piezoelektrische Einheit 5 weist eine auf der ersten Decklage 1a ausgebildete erste äußere Elektrodenlage 11, eine auf der ersten äußeren Elektrodenlage 11 ausgebildete erste äußere piezoelektrische Lage 21, eine erste innere piezoelektrische Lage 23a und eine erste innere Elektrodenlage 13a auf.
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Die sich zwischen der Sperrlage 3 und einer zweiten Decklage 2a befindliche zweite piezoelektrische Einheit 6 weist eine auf der Sperrlage 3 ausgebildete zweite innere Elektrodenlage 13b, eine auf der zweiten inneren Elektrodenlage 13b ausgebildete zweite innere piezoelektrische Lage 23b, eine zweite äußere piezoelektrische Lage 22 und eine zweite äußere Elektrodenlage 12 auf.
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Bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10e ist die erste äußere piezoelektrische Lage 21 mit der ersten inneren piezoelektrischen Lage 23a wenigstens teilweise verschmolzen und ist die zweite äußere piezoelektrische Lage 22 mit der zweiten inneren piezoelektrischen Lage 23b wenigstens teilweise verschmolzen.
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Die Sperrlage 3 steht einschließlich der darauf beidseitig ausgebildeten ersten und zweiten inneren Elektrodenlagen 13a, 13b einseitig über. Die jeweils überstehenden Abschnitte sind als überstehender Sperrlagenabschnitt 3' sowie als überstehende innere Elektrodenlagenabschnitte 13a', 13b' gekennzeichnet.
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8 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein aus der in 7 gezeigten fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung 10e ausgebildetes, aufgeschlagenes Buch 90. Dabei sind die überstehenden inneren Elektrodenlagenabschnitte 13a', 13b' als auch überstehende Abschnitte auf einen Buchrücken 92 des Buches 90 geführt. Die anderen Abschnitte der Elektrodenlagen 13a, 13b, 11, 12 sind im Bereich einer Buchseite 92 des Buches 90 durch die Decklage 2a abgedeckt. Die aus Papier ausgebildete Decklage 2a ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit Text und/oder Bildern bedruckt. Gleiches ist auch mit der Decklage 1a möglich, die in der gezeigten Darstellung unten befindet und daher hier nicht sichtbar ist.
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Bei den gezeigten Ausführungsformen 10a, 10a', 10a''; 10b, 10c, 10d, 10e der vorliegenden Erfindung bestehen die Elektrodenlagen 11, 12, 13a, 13b, 14a, 14a', 14b, 14b' aus elektrisch leitfähigem Material, wie beispielsweise aus wenigstens einem leitfähigem Polymer, wie z. B. PEDOT:PSS oder Polanilin, Kohlenstoff, wie z. B. einem als Carbon Black bezeichneten Industrieruß, Kohlenstoffnanoröhren (CNT) oder Graphen, wenigstens einer Metallpartikel, wie Silberpartikel, enthaltenden Materialzusammensetzung und/oder wenigstens einer Metall- oder Metalllegierungsschicht.
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Die piezoelektrischen Lagen 21, 22, 23a, 23b, 24a, 24a', 24b, 24b' der gezeigten Ausführungsformen 10a, 10a', 10a''; 10b, 10c, 10d, 10e der vorliegenden Erfindung bestehen aus wenigstens einem piezoelektrischem Polymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder P(VDF-TrFE), oder einem Polymer-Blend, wie z. B. P(VDF-TrFE):PMMA.
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Die Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung 10a kann wie folgt erfolgen:
- Zunächst werden zwei, aus wenigstens einem flächigen, nichtstarren Substrat aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material, wie Papier oder Folie, ausgebildete Decklagen 1, 2 jeweils einseitig mit einem Außenlagenstapel 51, 52 bedruckt. Hierzu wird zuerst eine äußere Elektrodenlage 11, 12 und darauf eine äußere piezoelektrische Lage 21, 22 auf die jeweilige Decklage 1, 2 gedruckt.
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Ferner wird eine aus einem flächigen, nichtstarren Substrat aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material, wie Papier oder Folie, ausgebildete Sperrlage 3 jeweils beidseitig mit einem Innenlagenstapel 61, 62 bedruckt. Hierbei wird eine innere Elektrodenlage 13a, 13b und darauf eine innere piezoelektrische Lage 23a, 23b auf die jeweilige Seite der Sperrlage gedruckt. Die so bedruckte Sperrlage 3 wird daraufhin flächig zwischen den beiden mit dem Außenlagenstapel 51, 52 bedruckten Decklagen 1, 2 angeordnet. Danach werden die jeweils inneren piezoelektrischen Lagen 23a, 23b mit den jeweils äußeren piezoelektrischen Lagen 21, 22 durch Heißlaminierung verbunden.
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Zum Heißlaminieren werden bei der vorliegenden Erfindung Temperaturen im Bereich der Schmelztemperatur des jeweils eingesetzten piezoelektrischen Materials eingesetzt. Diese liegt beispielsweise bei P(VDF-TrFE) bei 150 °C ± 20 °C.
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Die Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung 10b kann wie folgt erfolgen:
- Zunächst werden zwei, aus wenigstens einem flächigen, nichtstarren Substrat aus elektrisch nicht leitendem und nicht piezoelektrischem Material, wie Papier oder Folie, ausgebildete Decklagen 1, 2 jeweils einseitig mit einem Außenlagenstapel 51, 52 bedruckt. Hierzu wird zuerst eine äußere Elektrodenlage 11, 12 und darauf eine äußere piezoelektrische Lage 21, 22 auf die jeweilige Decklage 1, 2 gedruckt.
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Ferner wird auf die jeweiligen äußeren piezoelektrischen Lagen 21, 22 jeweils eine innere piezoelektrische Lage 24a, 24b und darauf eine innere Elektrodenlage 14a, 14b gedruckt. Danach wird auf wenigstens eine der inneren Elektrodenlagen 14a, 14b eine Klebschicht als Sperrlage 4 gedruckt. Die Klebschicht besteht aus einem Schmelzklebstoff.
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In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann auch nur jeweils eine einzige piezoelektrische Lage auf jede Seite der Decklagen 1, 2 gedruckt werden, sodass sich jeweils nur eine einzige piezoelektrische Lage zwischen der jeweiligen inneren und äußeren Elektrodenlage befindet.
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Daraufhin werden die so bedruckten Decklagen so aufeinander gelegt, dass die nicht mit den Elektrodenlagen 11, 12, 14a, 14b und den piezoelektrischen Lagen 21, 22, 24a, 24b bedruckten Seiten der Decklagen 1, 2 außen sind. Danach werden die bedruckten Decklagen durch Heißlaminierung verbunden.
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Zur Heißlaminierung kommt hier eine Temperatur zum Einsatz, die höher als eine Schmelztemperatur des Schmelzklebstoffes und niedriger als eine Schmelztemperatur der verwendeten piezoelektrischen Schichten, die typischerweise im Bereich von 60 °C bis 140 °C liegt, ist.
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Die nicht mit den Elektrodenlagen 11, 12, 14a, 14b und den piezoelektrischen Lagen 21, 22, 24a, 24b bedruckten Seiten der Decklagen 1, 2 können mit Text und/oder Bildern unbedruckt bzw. unbehandelt sein oder bedruckt sein oder nachfolgend bedruckt, bemalt, besprüht und/oder beklebt werden.
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Zur Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung 10c werden die beiden oben beschriebenen Schritte zur Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtungen 10a und 10b miteinander verbunden.
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Bei der Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung 10d kommt nur ein Substrat zur Anwendung, das beispielsweise aus Folie oder Papier besteht. Auf Decklagenbereiche 1b, 1 b' dieses Substrates wird jeweils ein Außenlagenstapel 51, 52, der jeweils eine äu-ßere Elektrodenlage 11, 12 und eine darauf gedruckte äußere piezoelektrische Lage 21, 22 aufweist, sowie darauf ein Innenlagenstapel 61, 62, der jeweils eine innere piezoelektrische Lage 23a, 23b und eine innere Elektrodenlage 13a, 13b aufweist, gedruckt. Auf wenigstens eine der inneren Elektrodenlagen 13a, 13b wird nachfolgend eine Klebschicht als Sperrlage 4 gedruckt.
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Daraufhin wird das Substrat U-förmig derart gefaltet, dass die auf die Decklagenbereiche 1b, 1 b' gedruckten Lagenstapel übereinander liegen und in dieser Anordnung miteinander verklebt.
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Die Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung 10e erfolgt auf analoge Weise wie die Herstellung der piezoelektrischen Vorrichtung 10a.
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Mit allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich piezoelektrische Bauelemente, wie Piezoaktoren oder Piezosensoren, vorzugsweise Einzel-Lautsprecher oder Einzel-Drucksensoren, ausbilden. Erfindungsgemäß ausgebildete Piezoaktoren oder Piezosensoren, wie Einzel-Lautsprecher oder Einzel-Drucksensoren, lassen sich zu Arrays anordnen. So können beispielsweise auf einem Blatt Papier oder einer Folie mehrere Lautsprecher- oder Sensoreinheiten angeordnet werden, die gemeinsam oder jede einzeln extern angesteuert werden können.
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Bei den erfindungsgemäß hergestellten piezoelektrischen Bauelementen befinden sich die aktiven piezoelektrischen Einheiten jeweils im Inneren des Bauelementes.
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Das Drucken der Elektrodenlagen 11, 12; 11a, 11b, 13a, 13b, 14a, 14a', 14b, 14b und der piezoelektrischen Lagen 21, 22, 23a, 23b, 24a, 24a', 24b, 24b' kann bei der vorliegenden Erfindung mittels Bogendruck oder in unterschiedlichen Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren, wie durch Siebdruck, Flexodruck, Inkjetdruck oder Tiefdruck, vorgenommen werden.
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Zu Kontaktierungszwecken kann bei der vorliegenden Erfindung die oben liegende Decklage 2, 2a flächenmäßig größer als die unten liegende Decklage 1, 1a und/oder ein als Sperrlage 3 verwendetes Mittelsubstrat sein. Bei derartigen Ausführungsformen ist es günstig, wenn die größere Decklage 2, 2a alle Kontaktierungsbahnen aufnimmt. Solche Ausführungsformen können insbesondere für eine Herstellung sogenannter sprechender Bücher verwendet werden, die vorzugsweise auf Basis der in den 7 und 8 gezeigten piezoelektrischen Vorrichtung 10e, welche eine sogenannte Layflat-Bindung aufweist, hergestellt werden.
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Jede der jeweiligen äußeren Seiten der erfindungsgemäß herstellbaren Bauelemente kann einen Farbaufdruck aufweisen und/oder mit einem Farbaufdruck versehen werden. Ferner sind die erfindungsgemäß hergestellten Bauelemente für eine Anwendung unterschiedlicher Drucknachbearbeitungsverfahren, wie Laminieren und/oder Falzen, geeignet.
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Aufgrund der erfindungsgemäß verwendeten flexiblen Substrate sind die erfindungsgemäß herstellbaren Bauelemente ebenfalls flexibel.
