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Quer-Bezug zu verwandter anhängiger Anmeldung
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil des Anmeldedatums der provisorischen U.S. Patentanmeldung Serien Nummer 61/217,755 vom 4. Juni 2009, betitelt „Piezoelektrische gestapelte Stellanordnung” (piezoelectric stack actuator assembly), deren gesamte Offenbarung ausdrücklich hier durch Bezug auf deren Inhalt einschließlich sämtlicher darin angegebener Quellen einbezogen ist.
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft generell piezoelektrische Substrate oder Wafer und insbesondere ein piezoelektrisch gestapeltes Stellglied, das aus mehreren individuellen piezoelektrischen Wafern hergestellt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Piezoelektrische Vorrichtungen werden in zahlreichen Produkten einschließlich Ultraschallwandlern, Hydrophonen, Bewegungssteuervorrichtungen, Schwingungserzeugungsvorrichtungen, Tintenstrahldruckern und Stellgliedern eingesetzt.
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Gemeinsam betätigte piezoelektrische Niedrigtemperatur-Wafer oder -Substrate wurden dazu eingesetzt, gestapelte Mehrlagen-Stellglieder unter Einsatz eines Verfahrens herzustellen, welches anfänglich das Gießen einer Dünnschicht aus PZT-Partikeln bedingt, die in einer Binder-Matrix aufgehängt sind. Darauf wird ein Elektrodenmuster auf ein Band unter Verwendung von Dickfilm-Tinten aus Palladium, Silber oder Platin aufgedruckt. Die Band-Lagen werden dann ausgerichtet, gestapelt, zusammengepresst und gemeinsam gezündet bzw. erhitzt, um den Stapel zu schaffen. Dieses Material ist jedoch teuer, und das Verfahren erfordert entweder Pfade, die in die Wandlagen eingestanzt und mit leitender Zünd-Paste oder – Drähten ausgefüllt wird, die zwischen den Lagen zum Verbinden der Elektroden gelötet werden. Diese Art von Verbindungen ist mit zunehmender Gebrauchszeit fehleranfällig aufgrund der konstanten Expansion und Kontraktion des Materials. Ein weiteres übliches Versagen entsteht durch dielektrischen Zusammenbruch (breakdown) über die Lagen als Ergebnis von Defekten, welche durch variable Schichtdicken verursacht werden, welche während des Bandgießprozesses entstehen können.
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Firmen, wie „Physik Instrumente” aus Karlsruhe, Deutschland, produzieren piezoelektrische gestapelte Mehrschicht-Stellglieder, welche unter Einsatz einer Epoxy-Schicht zwischen individuellen piezoelektrischen Schichten hergestellt werden. Die Epoxy-Schicht erzeugt jedoch eine elastisch nachgiebige Zwischenschicht, welche die Gesamtverlagerung des Stapels reduziert. Der auf dieser Epoxy-Schicht basierende Stapel erfordert auch separate Drahtzuleitungen für jede Lage, was seinerseits oft das Zwischenfügen einer gelappten Metallzwischenlage zwischen benachbarten Lagen erfordert. Diese Zwischenlagen vermindern den Anteil an piezoelektrischem Material in dem Stapel, was seinerseits nachteilig die Größe der gesamten Expansion/Kontraktion des Stapels reduziert.
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Die vorliegende Erfindung strebt eine einfachere, billigere piezoelektrische gestapelte Stellanordnung an.
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Abriss der Erfindung
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Die Erfindung betrifft generell eine piezoelektrisch gestapelte Stellanordnung umfassend mindestens einen Stapel aus ersten piezoelektrischen Wafer, von denen jede mindestens erste und zweite Elektroden aufweist, wobei die ersten piezoelektrischen Wafer benachbart gestapelt sind, die ersten Elektroden der ersten piezoelektrischen Wafer in Kontakt miteinander stehen und die zweiten Elektroden der ersten piezoelektrischen Wafer ebenfalls in Kontakt miteinander stehen und jeweilige erste und zweite elektrisch leitende Pfade bilden.
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Bei einer Ausführung sind die ersten und zweiten Elektroden jeder ersten piezoelektrischen Wafer von ersten und zweiten beabstandeten umgeschlagenen Streifen aus leitendem Material gebildet, und jede erste piezoelektrische Wafer umfasst erste und zweite Fenstergebiete, die frei von jeglichem leitenden Material sind. In einer Ausführung sind die ersten und zweiten Fenstergebiete auf entgegengesetzten Vorder- und Rückflächen jeder ersten piezoelektrischen Wafer vorgesehen.
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Gemäß einer Ausführung der Erfindung sind die piezoelektrischen Wafer benachbart und parallel zueinander gestapelt, wobei die ersten Fenstergebiete und die zweiten Fenstergebiete sowie die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden benachbart und gegenüber der ersten piezoelektrischen Wafer angeordnet sind.
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In einer Ausführung umfasst die piezoelektrische gestapelte Stellanordnung auch erste und zweite piezoelektrische Endwafer, von denen jede mindestens einen ersten Streifen aus leitendem Material umfasst, der eine erste Elektrode bildet. Die ersten und zweiten piezoelektrischen Endwafer sind auf entgegengesetzten Seiten des Stapels aus den ersten piezoelektrischen Wafer gestapelt.
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Erste und zweite leitende End-Begrenzungsplatten können ebenfalls auf entgegengesetzten Seiten der piezoelektrischen Endwafer gestapelt sein. Ein elektrischer Anschlussdraht ist jeweils an jede End-Begrenzungsplatte angeschlossen.
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In einer Ausführung sind mindestens die ersten piezoelektrischen Wafer und die piezoelektrischen Endwafer in einer Lage aus Epoxy-Harz oder Dichtmittel und darauf in einer Lage aus überformten Material eingekapselt.
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Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, den Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Merkmale der Erfindung werden am besten verständlich aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen:
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1 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen gestapelten Stellanordnung gemäß der Erfindung;
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2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der piezoelektrischen gestapelten Stellanordnung gemäß 1, wobei überformtes Material weggelassen ist;
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3 ist eine vergrößerte Seitenansicht der piezoelektrischen gestapelten Stellanordnung nach 2, wobei eine Schutzhülse weggelassen ist;
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4 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer der Endplatten der piezoelektrischen gestapelten Stellanordnung nach den 1 bis 3;
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5 ist eine vereinfachte vergrößerte und in Explosionsdarstellung gezeigte Seitenansicht der piezoelektrichen gestapelten Stellanordnung nach den 1 bis 3;
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6A und 6B sind jeweils vergrößerte Seitenansichten der entgegengesetzten Vorder- bzw. Rückflächen einer inneren piezoelektrischen Wafer der piezoelektrischen gestapelten Stellanordnung gemäß der Erfindung; und
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7A und 7B sind vergrößerte Seitenansichten der entgegengesetzten Vorder- bzw. Rückflächen einer der beiden piezoelektrischen Endwafer der piezoelektrischen gestapelten Stellanordnung gemäß der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführung
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Eine vollständige piezoelektrische gestapelte Stellanordnung 10 gemäß der Erfindung ist in 1 dargestellt. 2 zeigt die piezoelektrische gestapelte Stellanordnung 10 nach 1 ohne ihre äußere Lage 100 aus überformtem Polymer-Material. 3 zeigt die piezoelektrisch gestapelte Stellanordnung 10 nach 2 ohne ihre äußere Schutzhülse oder Dichtlage 102 sowie ohne Anschlussdrähte oder -leiter 104 und 106.
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Wie in den 3 und 5 gezeigt ist, umfasst die piezoelektrische gestapelte Stellanordnung 10 einen Stapel oder Laib 110 aus piezoelektrischen Wafer und insbesondere einen Stapel oder Laib 110 mit mehreren ersten inneren Substraten oder Wafer oder Scheiben 12 aus piezoelektrischem Material und ein Paar entsprechender zweiter oder Endsubstrate oder „Dummy”-Substrate oder -Wafer oder -Scheiben 14 ebenfalls aus piezoelektrischem keramischen Material, die mit den beiden äußersten Wafer des inneren Waferstapels 12 gekoppelt sind und alle gemeinsam nach Art eines „in Scheiben geschnittenen Brotlaibes” linear und aneinander anliegend gestapelt sind, wie im folgenden im Detail beschrieben ist. 5 zeigt zum Zwecke der Darstellung lediglich fünf der zahlreichen inneren Wafer 12.
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Unter Bezug auf die 3, 5, 6A, 6B, 7A und 7B umfasst jede piezoelektrische innere Wafer 12 und jede piezoelektrische Endwafer 14 des Stapels 110 der Stellanordnung 10 eine solide, im wesentlichen rechteckig geformte Scheibe mit gleichen Abmessungen von etwa 0,360 Zoll (9.14 mm) Länge, etwa 0,300 Zoll (7,62 mm) Breite und etwa 0,005 Zoll (0,127 mm) Dicke. Jede Scheibe 16 kann aus einer großen Auswahl von hochdichten piezoelektrischen keramischen Werkstoffen wie Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(ZrTi)O3), abgekürzt bekannt als PZT, oder aus anderen geeigneten Werkstoffen, wie PMN-PT Einkristall, Quarz oder Lithiumniobat bestehen. Die gleichen Abmessungen und Dicken der Scheiben 16 gewährleisten die Erzeugung und Übertragung eines gleichförmigen elektrischen Feldes über den gesamten Stapel 110, wie im einzelnen weiter unten beschrieben ist. Eine typische Länge des Stapels 110 beträgt 45 mm und umfasst etwa 500 miteinander gestapelte individuelle Wafer 12 und 14.
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Jede piezoelektrische innere Wafer 12 bzw. jede Endwafer 14 weisen eine bzw. mehrere Lagen oder Streifen aus leitendem Dünnfilmmaterial auf, welches darauf geformt ist, beispielsweise durch übliches Sputtern, um darauf Elektroden zu formen, wie im Detail weiter unten beschrieben ist.
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Insbesondere gemäß den 5, 6A und 6B umfasst jede Scheibe 16 aus piezoelektrischem keramischen Material jeder inneren piezoelektrischen Wafer 12 entgegengesetzte äußere Vorder- und Rückflächen 18 und 20, entgegengesetzte äußere Quer-Endflächen 22 und 24 und entgegengesetzte äußere Längs-Seitenflächen 23 und 25. Erste und zweite „Umschlag”-Elektroden 26 und 28 jeweils positiver (+) und negativer (–) Polarität umfassen jeweils einen länglichen Streifen aus geeignetem leitenden Dünnfilm-Material, wie einer Nickel/Vanadium-Legierung, einer Nickel/Chrom-Legierung, Gold, Aluminium, Nickel, Palladium, Silber, einer Palladium/Silber-Legierung oder Platin, bedecken die äußeren Vorder- und Rückflächen 18 und 20 und sind um die äußeren Endflächen 24 und 22 jeweils umgeschlagen.
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Die Dicke des Dünnfilm-Materials zur Bildung der Elektroden 26 und 28 liegt im Bereich von etwa 0,5 Mikron im Gegensatz zu konventionellen Dickfilm-Elektroden, welche Dicken im Bereich von 2 bis 5 Mikron haben, um mehr aktives PZT-Material je Einheitslänge des Stapels 110 zu ergeben. Der Einsatz von Dünnfilmmaterial eliminiert außerdem das Erfordernis einer Zwischenschicht aus Glas, welche an der Elektroden/PZT-Trennfuge dann vorzusehen wäre, wenn. Dickfilmmaterial verwendet würde, um so parasitäre Kapazitanz zu eliminieren und die PZT-Wirkung zu verbessern.
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Unter Bezugnahme auf die 5, 6A und 6B umfasst die Elektrode 26 der Scheibe 16 jeder inneren Wafer 12 einen ersten Abschnitt 30 auf der Vorderfläche 18 der Scheibe 16, einen zweiten „Umschlag”-Abschnitt 32 (5) auf der Rückfläche der Scheibe 16, der gleichförmig von dem ersten Abschnitt 30 ausgeht, welcher um die Endfläche oder Kante 24 der Scheibe 16 umgeschlagen ist, und einen Endabschnitt 34, der gleichförmig von dem Abschnitt 32 aus und weg von der Kante 24 der Scheibe 16 verläuft.
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Die Elektrode 28, welche ebenfalls auf Scheibe 16 jeder inneren Wafer 12 vorgesehen ist, umfasst einen ersten Abschnitt 36 auf der Rückfläche 20 der Scheibe 16, der eine quer stehende und in Umfangsrichtung sich erstreckende Endkante 35 hat, die beabstandet und parallel zu der quer und in Umfangsrichtung sich erstreckenden Kante 39 des Endabschnitts 34 der Elektrode 26 verläuft, um ein erstes, im wesentlichen rechteckig geformtes Fenster 37 auf der Rückfläche der Scheibe 16 zu bilden, das frei von leitendem Material ist (d. h. ein Gebiet auf der Rückfläche 20 der Scheibe 16 mit exponiertem PZT-Material). Die Elektrode 28 umfasst ferner einen „Umschlag”-Abschnitt 38 (5), der einförmig von dem ersten Abschnitt 36 weg steht und um die Endfläche 22 der Scheibe 16 umgeschlagen ist, sowie einen Endabschnitt 40, der einförmig von dem zweiten Abschnitt 38 weg steht und an der Vorderfläche 18 der Scheibe 16 so endet, dass eine quer und in Umfangsrichtung sich erstreckende Endkante 41 beabstandet und parallel zu einer quer in Umfangsrichtung sich erstreckende Endkante 43 des ersten Abschnitts 30 der Elektrode 26 auf der Vorderfläche 18 der Scheibe gebildet ist, um ein zweites, im wesentlichen rechteckig geformtes Fenster 42 auf der Vorderfläche 18 der Scheibe 16 zu bilden, das frei von leitendem Material ist (d. h. ein Gebiet auf der Vorderfläche 18 der Scheibe 16 mit exponiertem PZT-Material).
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Jede der sich in Längsrichtung erstreckenden entgegengesetzten länglichen Kanten der Streifenelektroden 26 und 28 verläuft mit Abstand von den entsprechenden entgegengesetzten, in Längsrichtung verlaufenden länglichen Kanten der entsprechenden Längsseitenflächen 23 und 25 der Scheibe 16, welche die Wafer 12 bildet. In der gezeigten Ausführungsform ist das Fenster 37 auf der Rückfläche 20 der Scheibe 26 benachbart und im wesentlichen parallel zu der Kante 24 der Scheibe 16 gebildet, während das Fenster 42 auf der Vorderfläche 18 der Scheibe 16 benachbart und im wesentlichen parallel zur entgegengesetzten Querkante 22 der Scheibe 16 gebildet ist.
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Die 3, 7A und 7B zeigen jede piezoelektrische Endwafer 14 und insbesondere deren Scheibe 16, welche entgegengesetzte äußere Vorder- und Rückflächen 44 und 46, entgegengesetzte äußere Quer-Endflächen 48 und 50 und entgegengesetzte Längsseitenflächen 49 und 51 umfasst. Eine „Umschlag”-Elektrode 42 (welche abhängig davon, welches Endes des Stapels 110 der Wafer 14 betroffen ist, entweder eine positive oder negative Elektrode ist) umfasst einen langgestreckten Streifen eines geeigneten leitenden Dünnfilm-Materials ähnlich dem Dünnfilmmaterial der Streifen 26 und 28, bedeckt die äußeren Vorder- und Rückflächen 44 und 46 der Scheibe 16 und ist um die Endfläche oder Kante 50 der die Wafer 14 bildenden Scheibe 16 umgeschlagen.
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Gemäß den 3, 7A und 7B umfasst die Elektrode 52 einen ersten Abschnitt 54, der auf der Vorderfläche 44 der Scheibe 16 liegt und eine quer und in Umfangsrichtung verlaufende Kante 55 bildet, welche beabstandet und parallel zur Endfläche der Scheibe 6 verläuft, einen Umschlagabschnitt 56 (5), der gleichförmig von dem ersten Abschnitt 54 ausgeht und um die äußere Endfläche 50 der Scheibe 16 umgeschlagen ist, und einen dritten Abschnitt 58, der einförmig von dem Umschlagabschnitt 56 auf der Rückfläche 46 der Scheibe 16 weg ragt und eine quer und in Umfangsrichtung verlaufende Kante 59 bildet, die beabstandet und parallel zur Endfläche 48 der Scheibe 16 verläuft. Jede der entgegengesetzten langgestreckten Längskanten der Streifenelektrode 52 verläuft beabstandet und parallel zu den benachbarten Längskanten der zugehörigen Seitenflächen 49 und 51 der Scheibe 16, welche die Wafer 14 bildet.
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Gemäß der Ausführung der Wafer 14 nach den 3, 7A und 7B hat die Kante 59 der Elektrode 52 einen Abstand von der Kante 48 der Scheibe 16, welcher größer als der Abstand zwischen der Kante 55 der Elektrode 52 und der Kante 48 der Scheibe 1 ist, um entsprechende Fenster 53a, 53b (5) und 53c auf den Scheibenflächen 44, 46, 48 zu bilden, welche frei von leitendem Material sind (d. h. Gebiete mit ausgesetztem PZT-Material). Die Fenster 53a und 53c sind einander entgegengesetzt, wobei das Fenster 53a eine kleinere Oberfläche hat als das Fenster 53c.
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Wie in den 3 und 5 gezeigt ist, sind die inneren piezoelektrischen Wafer 12 in der gestapelten Stellanordnung 10 parallel und Seite an Seite anliegend (wie in 3 gezeigt) positioniert, wobei die entsprechenden Fenster 37 benachbarter Wafer 12 gegenüberliegend, kolinear und aufeinander ausgerichtet angeordnet sind; die jeweiligen Fenster 52 benachbarter Wafer 12 sind einander gegenüberliegend, kolinear und aufeinander ausgerichtet angeordnet; die entsprechenden Elektroden 26 der benachbarten Wafer sind gegenüber und aneinander anliegend (wie in 3 gezeigt) angeordnet; die entsprechenden Elektroden 28 benachbarter Wafer 12 sind gegenüber und aneinander anliegend (wie in 3 gezeigt) angeordnet.
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Das Positionieren und Ausrichten benachbarter innerer Wafer 12 in einer Weise, in welcher die entsprechenden Fenster 37 und 42 gegenüberliegend und aufeinander ausgerichtet werden und die entsprechenden Elektroden 26 und 28 benachbarter Wafer 12 einander gegenüber und miteinander ausgerichtet werden, kann während der Fertigung entweder durch Schieben jeder nächstfolgenden inneren Wafer 12 von oben nach unten oder durch Anlegen Seite an Seite erfolgen.
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Die gestapelte Stellanordnung 10 nach 3 gibt beispielhaft das Ergebnis der Herstellung wieder, bei welcher alterwerende innere Wafer 12 Seite an Seite aufgeschoben werden, um die erwünschte Platzierung zwischen den Fenstern 37 und den Fenstern 42 sowie zwischen den Elektroden 26 und den Elektroden 28 derart zu bewirken, dass alle Elektroden 26 der aneinander anliegenden inneren Wafer 12 längs einer unteren Längskante oder – seite oder -fläche 130 (3) des Stapels 110 platziert, gekuppelt und angelegt werden, um einen leitenden Pfad mit positiver (+) Polarität längs der unteren Längskante 130 des Stapels 110 zu definieren; und dass alle Elektroden 28 längs der entgegengesetzten parallel oberen Längskante oder – seite oder -fläche 132 (3) des Stapels 110 platziert, gekoppelt und aneinander gelegt werden, um einen leitenden Pfad mit negativer (–) Polarität längs der oberen Längskante 132 des Stapels 110 zu bewirken.
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Die beiden End- oder „Dummy”-Begrenzungswafer 14, die mit den entsprechenden außen liegenden inneren Wafer 12 gekoppelt sind, begrenzen und verbinden elektrisch die inneren Wafer 12 mit jeweiligen Endbegrenzungsplatten 60 positiver (+) und negativer (–) Polarität, welche die Wafer 12 und 14 schützen und für die Spannungszuleitung und für die Erdung des Stapels 110 der gestapelten Anordnung 10 sorgen.
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Jede Endplatte 60 bzw. 62 (4) umfasst eine im wesentlichen quadratische ebene Platte 64 und ein Paar elektrische Bügel oder Laschen 66 und 68, die von entgegengesetzten Seiten 70 und 72 jeder Endplatte kolinear wegragen. Jede Lasche 66 bzw. 68 hat ein zentrales Durchgangsloch 74.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, umfasst die gestapelte Anordnung 10 zusätzlich elektrische Isolierplatten 63 und 65, welche mit der Außenfläche der jeweiligen Platten 62 und 60 verbunden sind.
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Gemäß 5 ist je eine Endwafer 14 mit einer zugehörigen außenseitigen inneren Wafer 12 gekuppelt, wobei diese außenseitigen Wafer mit den Bezugszahlen 12a und 12e in den 3 und 5 bezeichnet sind, und zwar derart, dass die Fläche 46 der Scheibe 16, welche die jeweilige Wafer 14 bildet; und insbesondere der Abschnitt 58 der Elektrode 52 auf der Fläche 46 der Scheibe 16 jeder Endwafer gegenüber und parallel in Anlage (wie in 3 gezeigt) am Abschnitt 30 der Elektrode 26 auf der Fläche 18 der außenseitigen inneren Wafer 12a (bei der linken Endwafer 14) angeordnet, während der Abschnitt 36 der Elektrode 28 auf der Fläche 20 der außenseitigen inneren Wafer 12a (bei der rechten Endwafer 14) angeordnet ist; dass das Fenster 53c auf der Fläche 46 der Scheibe 16 gegenüber dem Fenster 42 der Wafer 12a (bei der linken Endwafer 14) und gegenüber denn Fenster 37 der Wafer 12e (bei der rechten Endwafer 14) liegt; und dassder Abschnitt 54 der Elektrode 52 auf der Fläche 44 der Scheibe 16 der jeweiligen Endwafer 14 generell gegenüber parallel in Anlage an der Innenfläche (wie in 3 gezeigt) der starren leitenden End-Begrenzungsplatte 60 (bei der linken Endwafer 14) bzw. der End-Begrenzungsplatte 62 (bei der rechten Endwafer 14) angeordnet ist.
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Gemäß den 3 und 5 versteht sich, rings die negative Elektrode 28 der Wafer 12e an die negative Elektrode 52 der Endwafer 14 angeschlossen ist und daran anliegt, welche ihrerseits an die Innenfläche der negativen Endplatte 62 angeschlossen ist und daran anliegt. In gleicher Weise ist die positive Elektrode 26 der Wafer 12a an die positive Elektrode 52 der anderen Endwafer 14 angeschlossen und liegt daran an, die ihrerseits an der Innenfläche der positiven Endplatte 60 angeschlossen ist und daran anliegt.
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Wie weiterhin aus 5 ersichtlich ist, ist das Gebiet der Endwafer 14 gegenüber der Elektrode 26 auf der Wafer 12e frei von leitendem Material und gewährleistet die Abwesenheit jeglicher Verbindung mit dem negativen leitenden Pfad, der von der Elektrode 28 auf der Wafer 12e gebildet ist. In gleicher Weise ist das Gebiet der Endwafer 14 gegenüber der Elektrode 28 auf der Wafer 12a frei von leitendem Material und gewährleistet die Abwesenheit jeglicher Verbindung mit dem positiv leitenden Pfad, der von der Elektrode 26 auf der Wafer 12a gebildet ist.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, umfasst eine einzige elektrische Anschlussleitung 104 ein Anschlussende 104a (2), das durch Schweißen, Löten oder dgl. an die elektrische Verbindungslasche 66 der End-Begrenzungsplatte 60 angeschlossen ist. Die Leitung 104 erstreckt sich über die Länge des Stapels 110 in Anlage an deren Außenfläche und hat ein entgegengesetztes Anschlussende 104b (1 und 2), das von der entgegengesetzten End-Begrenzungsplatte 62 wegragt und mit dem negativen (–) Endanschluss (nicht gezeigt) einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbindbar ist.
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Eine andere einzige elektrische Anschlussleitung 106 umfasst ein Anschlussende 106a (1), das an die elektrische Anschlusslasche 68 (1) an der End-Begrenzungsplatte 62 ebenfalls durch Schweißen, Löten oder dgl. angeschlossen ist. Die Leitung 106 ist auf der Außenfläche des Stapels 110 entgegengesetzt zu der den Anschlussdraht 104 aufweisenden Außenfläche angeordnet und umfasst ein entgegengesetztes Anschlussende 106b (1 und 2), welches sich von der Platte 62 weg gegenüber, mit Abstand und parallel zum Ende 104b der Anschlussleitung 104 erstreckt. Das Anschlussende 106b kann an den positiven Anschluss (nicht gezeigt) einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen werden.
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Wie in den 3 und 5 gezeigt ist, können jeweilige Schichten 120, 122 aus leitender Farbe auf entsprechende positive bzw. negative Fuß- und Deckkanten oder – seiten 132 und 133 des Stapels 110 aufgetragen werden, insbesondere auf die entsprechenden Gebiete 38 und 32 der positiven bzw. negativen Anschlüsse bzw. Elektroden 28 und 26 des Stapels 110 zum Verbessem der Leistung und zum Reduzieren der Resistivität zwischen den Wafer 12 und 14.
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Wie in 5 gezeigt ist, liegt ein erstes Ende 120a der Schicht 120 an der Innenfläche der End-Begrenzungsplatte 62 an und bedeckt das Gebiet 56 der Elektrode 52 und der Endwafer 14, die an der Wafer 12e anliegt, während ein entgegengesetztes Ende 120b der Schicht 120 nicht die Endwafer 14 benachbart der Wafer 12a überdeckt und von deren Begrenzungsplatte 60 einen Abstand einhält. In gleicher Weise überragt ein erstes Ende 122a der Schicht 122 das Gebiet 56 der Elektrode 52 auf der Endwafer 14 benachbart der Wafer 12a und stößt mit ihrer Innenfläche an der End-Begrenzungsplatte 60 an, während das entgegengesetzte zweite Ende 122b der Schicht 122 nicht bis zur Endwafer 14 benachbart der Wafer 12e reicht und von der Begrenzungsplatte 62 einen Abstand einhält.
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Wie in 2 gezeigt ist, sind alle vier Außenseiten oder -flächen des Stapels 110 einschließlich der elektrischen Anschlussleitungen 104 und 106 mit einer Lage oder Schicht schützenden Epoxy-Harzes oder eines Dichtmittels 102 bedeckt, und ferner ist wie in 1 gezeigt der Stapel 110 mit einer weiteren Lage oder Schicht aus Polymer-Material 100 überformt. Die schützende Dichtschicht 102 hindert überformendes Material am Eindringen in die und zwischen die Wafer 12 und 14.
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Piezoelektrisches Material kann piezoelektrisch mittels eines Verfahrens gemacht werden, dass man „Polen” nennt. Dieses Verfahren kann nur bei einer Temperatur unterhalb des Curie-Punktes ausgeführt werden, wenn die Kristallstrukturen das Erzeugen eines elektrischen Dipols verursachen. In perovskischen Strukturen wird der Dipol durch Bewegen des zentralen Ions in die Struktur hinein geschaffen (gewöhnlich als großes Metall-Ion). Unterhalb der Curie-Temperatur bewegt sich das zentrale Ion aus der Ebene der strukturellen Ionen hinaus, so dass die Ladungen nicht länger einen Dipol erzeugen.
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Das Verfahren zum Polen involviert das Ausrichten der individuellen Dipol-Momente derart, dass alle Dipol-Momente in die gleiche Richtung weisen. Dies wird durch Einbringen des Kristalles in ein konstantes elektrisches Feld bewirkt, um Dipole zur Ausrichtung zu zwingen. In dem elektrischen Feld erfährt jeder Dipol ein Moment, sofern er nicht parallel zu den erzeugten Feldlinien liegt, und wird somit in diese Richtung gedreht. Wenn das elektrische Feld entfernt wird, bleiben die Dipole ausgerichtet.
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Wenn eine Treiberspannung in gleicher Richtung wie die polende Spannung angelegt wird, expandiert jede piezoelektrische Wafer 12 und 14 ihre Dicke gemäß der Formel Δt = d33*Vdrive
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Die Gesamtexpansion des Stapels 110 der Stellanordnung 10 wird dann gleich derjenigen des individuellen Wafer-tΔ multipliziert der Anzahl der piezoelektrischen Wafer 12 und 14 im Stapel. Die gemeinsame Kraft der gestapelten Stellanordnung 10 ist Force = (Vdrive*A)/(g33*t) worin A die aktive Fläche jeder piezoelektrischen Wafer 12 ist.
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Gemäß der Erfindung ist eine ungerade Anzahl an Wofern 12 und 14 einzusetzen, um eine gradzahlige Stapel-Konfiguration zu vermeiden, welche einen verkürzten elektrischen Pfad ergeben würde.
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Ein polendes elektrisches Feld von etwa 50.000 Volt/Zoll kann an die leitenden End-Begrenzungsplatten 60 und 61 über die entsprechenden Anschlussleitungen 104 und 106 und dann über die einzelnen Wafer 12 der piezoelektrischen gestapelten Stellannordnung 10 über die jeweiligen anliegenden positiven und negativen Elektroden 26 und 28 angelegt werden, um die piezoelektrischen Wafer 12 zu polen.
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Eine alternative Möglichkeit zum Polen der piezoelektrischen Wafer 12 beinhaltet das Anlegen eines elektrischen Feldes von etwa 50.000 Volt/Zoll über die leitenden Elektroden 26 und 28 der einzelnen piezoelektrischen Substrate 12 vor deren Montage zu einem Stapel 10.
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Wenngleich nicht sehr detailliert im folgenden beschrieben, versteht sich, dass der Stapel 110 der Anordnung 10 in einem vorgeladenen Zustand zu platzieren ist, in welchem die piezoelektrischen Wafer 12, die Wafer 14 und die Endplatten 60 und 62 in eine gekuppelte, kontaktierende Anordnung zusammengedrückt sind, in welcher die entgegengesetzten Elektroden 26 und 28 benachbarter innerer Wafer 12 und die Elektroden 52 der Wafer 14 in anliegendem, kontaktierenden Zustand sind. Gemäß der Erfindung kann der Stapel 110 der Anordnung 10 in einem separaten Vorbelastungs-Gehäuse platziert sein, welche die Wafer 12, die Wafer 14 und die Endplatten 60 und 62 in die vorbelastete Konfiguration zusammendrückt; oder alternativ kann der Stapel 110 der Anordnung 10 in der Lage oder Schicht aus Epoxy-Harz 102 überzogen oder eingekapselt sein, wobei auf das Zusammendrücken der Wafer 12, der Wafer 14 und der Platten 60 und 62 aneinander im Herstellungsprozess eine Wärme-Schrumpfbehandlung folgen kann.
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Die hier gezeigte und beschriebene Stapelanordnung und insbesondere die individuellen piezoelektrischen Wafer 12 und 14 mit den zugehörigen, darauf geformten positionierten Elektroden 26, 28 sowie 52 wie oben im Detail beschrieben ermöglichen in vorteilhafter Weise eine Stellanordnung 10, die aus individuellen, gestapelten und miteinander verbundenen Wafern ohne die Notwendigkeit aufgebaut ist, die Wafer mit Verbindungsleitungen miteinander zu koppeln, so dass eine einfachere billigere Struktur geschaffen ist.
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Wenngleich die Erfindung mit speziellem Bezug auf die hier gezeigte und beschriebene Ausführung erläutert ist, erkennt der Fachmann, dass Abwandlungen in Aufbau und Detail ohne Abweichen vom Geist und Schutzbereich der Erfindung getroffen werden können. Die beschriebene Ausführung ist in jeder Hinsicht lediglich illustrativ und nicht restriktiv zu verstehen. Der Schutzbereich der Erfindung ist daher durch die angefügten Ansprüche statt durch die Ausführungsbeschreibung umrissen. Alle Änderungen, die in den Wortsinn und in den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind durch deren Schutzbereich einschließlich einer Ausführung umfasst, in welcher die überformte Lage oder Schicht 100 entsprechende Kanäle für die Anschlussdrähte 104 und 106 bildet, sowie einer Ausführung, bei welcher die jeweiligen ersten und zweiten Umschlagelektroden der Wafer 12 durch entsprechende erste und zweite elektrisch leitende Pfade durch die Scheibe 16 hindurch und die Umschlagelektrode der Wafer 14 durch einen elektrisch leitenden Pfad durch deren Scheibe 16 hindurch ersetzt sind.
