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Die
Erfindung betrifft einen Piezo-Biegewandler, mit einem streifen-
oder plattenförmigen Biegewandlerelement,
das einen lediglich einseitig mit einem piezoelektrischen Körper belegten
Tragkörper
sowie einen im wesentlichen das gleiche thermische Ausdehnungsverhalten
wie der piezoelektrische Körper
aufweisenden Kompensationskörper aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein mit einem solchen Piezo-Biegewandler
als Stellglied ausgestattetes Piezoventil.
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Aus
der
DE 100 17 760
C1 gehen ein Piezo-Biegewandler und ein damit ausgestattetes
Piezoventil hervor. Der bekannte Piezo-Biegewandler verfügt über einen aus mit Glasfasern
verstärktem Epoxidharz
bestehenden Tragkörper,
der einseitig mit einem einen Multilayeraufbau aufweisenden piezoelektrischen
Körper
belegt ist. Zur Aktivierung wird an den piezoelektrischen Körper eine
Ansteuerspannung angelegt, was relativ zu dem Tragkörper eine Längenänderung
hervorruft und zu einer seitlichen Auslenkung führt. Hierdurch kann beispielsweise
die Fluidströmung
in einem Ventil gesteuert werden. Damit sich das Biegewandlerelement
unabhängig
von Temperatureinflüssen
neutral verhält,
ist der Tragkörper
auf der dem piezoelektrischen Körper
entgegengesetzten Seite mit einem als Anpassschicht bezeichneten
Kompensationskörper
belegt, der aus einem Material mit im wesentlichen gleichem thermischem
Ausdehnungskoeffizient wie der piezoelektrische Körper besteht.
Der Kompensationskörper
verhält
sich folglich in dem während
des Einsatzes des Piezo-Biegewandlers auftretenden Temperaturbereich
ausdehnungsmäßig wie
der piezoelektrische Körper,
so dass sich die Temperatureinflüsse
gegenseitig kompensieren. Als Kompensationskörper wird insbesondere ein
Glaskörper
oder ein Körper
aus Aluminiumoxid vorgeschlagen, da diese Materialien einen ähnlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen, wie die zur Realisierung
des piezoelektrischen Körpers
häufig
eingesetzte Blei-Zirkonat-Titan-Oxidkeramik
(PZT).
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Mit
einem solcher Art aufgebauten Piezo-Biegewandler ist zwar eine Kostensenkung
gegenüber
Bauformen verbunden, bei denen der Tragkörper auf beiden Seiten mit
einer Piezokeramik beschichtet ist, wie dies beispielsweise in der
WO 01/99205 A1 oder in der
DE
199 20 576 C1 beschrieben ist. Gleichwohl ist die Herstellung
noch immer relativ teuer, so dass es als eine wesentliche Aufgabe der
Erfindung angesehen wird, Maßnahmen vorzuschlagen,
die die Herstellung eines besonders kostengünstigen Piezo-Biegewandlers
zulassen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einem Piezo-Biegewandler der eingangs genannten
Art vorgesehen, dass der Tragkörper
unmittelbar selbst als Kompensationskörper ausgebildet und insgesamt
so strukturiert ist, dass er im wesentlichen das gleiche thermische
Ausdehnungsverhalten wie der einseitig daran angebrachte piezoelektrische
Körper
aufweist.
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Auf
diese Weise enthält
der Piezo-Biegewandler ein monomorphes Biegewandlerelement, bei
dem unter Verzicht auf einen eigenständigen Kompensationskörper eine
thermische Neutralisierung des Temperaturverhaltens des einseitig
aufgebrachten piezoelektrischen Körpers erhalten wird. Die bisher
gesonderten Kompensationsmaßnahmen sind
nun in den Tragkörper
integriert, der mithin eine Doppelfunktion übernimmt, indem er gleichzeitig auch
als Kompensationskörper
fungiert. Während also
beim Stand der Technik die auf die temperaturmäßige Kompensation abzielenden
Maßnahmen
auf den piezoelektrischen Körper
und den gesonderten Kompensationskörper beschränkt waren, ohne Einbeziehung
des Tragkörpers,
erfolgt nun eine gesamtheitliche Kompensation des Temperaturverhaltens des
piezoelektrischen Körpers
durch allein den entsprechend strukturierten Tragkörper. Nicht
nur dass damit eine wesentliche kostengünstigere Herstellung verbunden
ist, weil auf die gesonderte Aufbringung eines Kompensationskörpers verzichtet
werden kann, ermöglicht
dieser gesamtheitliche Ansatz auch eine Reduzierung der Dickenabmessungen
der außer
dem piezoelektrischen Körper
vorhandenen Materialien und mithin einen kompakteren Aufbau, was weite
Einsatzfelder für
den Biegewandler eröffnet.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante
besitzt der piezoelektrische Körper
einen monolithischen Aufbau. Allerdings kann das erfinderische Prinzip
ohne weiteres auch in Verbindung mit einem einen Multilayeraufbau
aufweisenden piezoelektrischen Körper
realisiert werden.
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Der
Tragkörper
besteht zweckmäßigerweise aus
einem faserverstärkten
Kunststoffmaterial, wobei sich besonders ein faserverstärktes ausgehärtetes Kunstharz
empfiehlt, vorzugsweise Epoxidharz. Die Verstärkungsfasern besitzen innerhalb
des Tragkörpers
untereinander zweckmäßigerweise
die gleiche Ausrichtung, wobei sie bei einem streifenförmigen Biegewandlerelement
in dessen Längsrichtung
verlaufen.
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Zweckmäßigerweise
ist der Tragkörper
mit unterschiedlichen Verstärkungsfasern
ausgestattet, die untereinander und in Bezug auf das Kunststoffmaterial
des Tragkörpers
so abgestimmt sind, dass sich das gewünschte Temperaturausdehnungsverhalten
für den
Tragkörper
einstellt. Hierzu können verschiedene
Arten von Verstärkungsfasern
eingesetzt werden, beispielsweise Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern
und/oder Aramidfasern, oder man kann auf Verstärkungsfasern aus der gleichen
Materialgattung zurückgreifen,
die aufgrund besonderer Behandlung über unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten
verfügen,
beispielsweise Glasfasern aus Glas mit unterschiedlichen Eigenschaften.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn der Tragkörper
zumindest in dem sich an den piezoelektrischen Körper anschließenden Bereich
aus Kohlenstofffasern aufgebaut ist, die über eine elektrische Leitfähigkeit
verfügen.
Auf diese Weise kann der Tragkörper
gleichzeitig eine Elektrodenfunktion in Bezug auf den piezoelektrischen
Körper übernehmen
und es kann auf eine gesonderte Elektrodenschicht verzichtet werden.
Es wäre
gleichwohl zur Verbesserung der Leitfähigkeit eine zusätzliche
Elektrodenschicht zwischen dem piezoelektrischen Körper und
dem Tragkörper
denkbar. Diese kann, wie auch eine gegebenenfalls auf der dem Tragkörper entgegengesetzten
Oberseite des piezoelektrischen Körpers angeordnete obere Elektroden schicht
durch ein Druckverfahren aufgebracht worden sein, beispielsweise
durch Siebdruck. Als Elektrodenschicht ist zweckmäßigerweise
eine Carbonschicht vorgesehen.
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Auf
eine zwischen dem piezoelektrischen Körper und dem Tragkörper angeordnete
untere Elektrodenschicht wird insbesondere dann zurückgegriffen,
wenn der Tragkörper
vor allem in dem dem piezoelektrischen Körper benachbarten Bereich und insbesondere
insgesamt elektrisch nicht leitend ist, weil die Verstärkungsfasern
beispielsweise als Glasfasern ausgeführt sind.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Tragkörper als
aus mindestens einem sogenannten Prepreg hergestellter faserverstärkter Duroplastkörper ausgeführt ist.
Ein Prepreg ist, wie beispielsweise in der
DE 199 20 576 C1 erläutert wird,
ein noch nicht ausgehärteter,
weicher, vorimprägnierte
Fasern enthaltender Rohling, der bei der Herstellung des Biegewandlerelementes
mit dem piezoelektrischen Körper
zusammengebracht wird, wonach die gesamte Einheit unter gleichzeitigem Verpressen
einer erhöhten
Temperatur ausgesetzt wird, so dass sich das in der Regel von Epoxidharz gebildete
Grundmaterial bei seiner Aushärtung
mit dem piezoelektrischen Körper
haftend verbindet und eine stabile Bau einheit entsteht. Man erhält dadurch eine
dauerhafte und stabile Verbindung der Komponenten des Biegewandlerelementes.
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Insbesondere
wenn der Tragkörper
unterschiedliche Verstärkungsfasern
aufweist, kann der Tragkörper
aus mehreren bei der Herstellung geschichtet aufeinandergelegten
Prepregs bestehen, die sich bei der Wärmebehandlung zu dem Tragkörper vereinigen,
wobei das Grundmaterial miteinander verschmilzt, so dass sich ein
zumindest weitgehend homogener Aufbau einstellen kann. Die einzelnen Prepregschichten
können
mit Verstärkungsfasern unterschiedlicher
Art ausgestattet sein. Beispielsweise könnte man den Tragkörper aus
mehreren Prepregschichten aufbauen, wobei eine sich unmittelbar an
den piezoelektrischen Körper
anschließende
Prepregschicht mit Kohlenstofffasern und mindestens eine sich daran
anschließende
Prepregschicht mit Glasfasern oder Aramidfasern versehen ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In
dieser zeigen:
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1 einen
möglichen
Aufbau des erfindungsgemäßen Piezo-Biegewandlers in
schematischer perspektivischer Darstellung im Zusammenhang mit einem
Einsatz als Stellglied eines Piezoventils, wobei die weiteren Ventilkomponenten
lediglich strichpunktiert angedeutet sind,
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2 den
Piezo-Biegewandler aus 1 im Längsschnitt gemäß Schnittlinie
II-II,
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3 den
Piezo-Biegewandler aus 1 und 2 gemäß Schnittlinie
III-III auf 2, und
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4 und 5 Querschnitte
entsprechend der Darstellung der 3 durch
alternative Bauformen des Piezo-Biegewandlers
mit abweichend gestalteten Tragkörpern.
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Die 1 zeigt
insgesamt in schematischer Weise ein zur Steuerung einer Fluidströmung dienendes
Piezoventil 1. Dieses besitzt ein strichpunktiert angedeutetes
Gehäuse 2,
in dessen Innenraum ein als Stellglied fungierender Piezo-Biegewandler 3 angeordnet
ist und insbesondere hineinragt.
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Der
Piezo-Biegewandler 3 enthält ein beim Ausführungsbeispiel
streifenförmiges
Biegewandlerelement 4, das an seinem rückwärtigen Endbereich 5 ventilgehäusefest
fixiert ist. Es kann sich beispielsweise um eine Einspannung im
Ventilgehäuse
handeln. In Abhängigkeit
vom Anwendungsfall kann anstelle des Ventilgehäuses auch eine andere Aufhängungsstruktur
für die Halterung
des Biegewandlerelementes 4 vorgesehen sein. Dies gilt
insbesondere für
membranartig gestaltete Piezo-Biege-wandler, die an mehreren über ihren
Umfang verteilten Stellen abgestützt
bzw. fixiert sind.
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Beim
Ausführungsbeispiel
bildet der rückwärtige Endbereich 5 des
Biegewandlerelementes 4 einen Anschlussabschnitt 6,
in dessen Bereich die für den
Betrieb des Piezo-Biegewandlers 3 erforderliche elektrische
Energie und elektrischen Signale zu- bzw. abgeführt werden. Dieser Anschlussabschnitt 6 ist zweckmäßigerweise
stets piezoelektrisch inaktiv und enthält kein piezoelektrisches Material.
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An
den Anschlussabschnitt 6 schließt sich nach vorne hin ein
als Arbeitsabschnitt 7 bezeichneter Längenabschnitt des Biegewandlerelementes 4 an,
der aufgrund eines entsprechenden Aufbaus piezoelektrisch aktivierbar
ist. Durch entsprechende elektrische Aktivierung kann erreicht werden,
dass der Arbeitsabschnitt 7 in einer zu seiner Ausdehnungsebene 9 rechtwinkeligen
Auslenkebene 10 gemäß Doppelpfeil 8 seitwärts auslenkbar
ist.
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Das
Biegewandlerelement 4 besitzt einen monomorphen Aufbau
uns ist derart ausgelegt, dass es ausgehend von seiner aus der Zeichnung
ersichtlichen, im deaktivierten Zustand einge nommenen Grundstellung
durch Anlegen einer Aktivierungsspannung UA in
nur einer Richtung auslenkbar ist. Wird die Aktivierungsspannung
UA entfernt und das Biegewandlerelement 4 entladen,
kehrt es in die Grundstellung zurück.
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Durch
die genannte Auslenkbewegung 8 kann beispielsweise ein
mit dem Biegewandlerelement 4 bewegungsgekoppeltes, in
der Zeichnung nur strichpunktiert angedeutetes Ventilverschlussglied 12 relativ
zu mindestens einer nicht näher
dargestellten ventilgehäusefesten
Ventilöffnung
variabel positioniert werden, um den Fluiddurchfluss durch diese Ventilöffnung zu
beeinflussen. In der maximalen Offenstellung ist das Ventilverschlussglied 12 weitest möglich von
der Ventilöffnung
entfernt, so dass innerhalb des Gehäuses eine Fluidströmung mit
maximalem Durchfluss zwischen der Ventilöffnung und einer ebenfalls
in den Innenraum des Ventilgehäuses
einmündenden
weiteren Ventilöffnung
möglich
ist. In der Schließstellung
wird die Ventilöffnung
durch das Ventilverschlussglied 12 verschlossen und die
Fluidströmung
unterbunden. In Zwischenstellungen, die vom momentanen Grad der
Auslenkung des Arbeitsabschnittes 7 abhängen, lässt sich bei variabler Aktivierungsspannung
UA eine variable Einstellung der Strömungsrate
zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert vornehmen.
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Das
Piezoventil 1 kann so ausgelegt werden, dass es bei deaktiviertem,
in der Grundstellung befindlichem Biegewandlerelement 4 entweder
eine Schließstellung
oder eine Offenstellung einnimmt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
sitzt das Ventilverschlussglied 12 direkt an dem als Stellglied
fungierenden Biegewandlerelement 4. Man kann somit sagen,
dass hier das Biegewandlerelement 4 unmittelbar ein Ventilglied
bildet. Allerdings kann auch ein gesondertes Ventilglied vorhanden
sein, das durch den als Stellglied fungierenden Piezo-Biegewandler 3 betätigbar ist.
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Das
Biegewandlerelement 4 besitzt einen streifenartigen Tragkörper 15 mit
zu der Ausdehnungsebene 9 paralleler Ausdehnungsebene.
Der Tragkörper 5 besteht
aus einem piezoelektrischen nicht aktivierbarem Material, wobei
beim Ausführungsbeispiel
ein faserverstärktes
Kunststoffmaterial gewählt
ist. Seine Dicke liegt beispielsweise im Bereich von 200μm.
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An
einer seiner beiden großflächigen Seiten, die
im folgenden – ohne
dass damit eine Einschränkung
verbunden sein soll – als
Oberseite 16 bezeichnet wird, ist der Tragkörper 15 entlang
seines Arbeitsabschnittes 7 mit einem bevorzugt ebenfalls
streifenförmigen
piezoelektrischen Körper 17 belegt,
wobei im Fügebereich
eine feste Verbindung vorliegt. Dessen Dicke kann beispielsweise
ebenfalls im Bereich von 200μm
liegen.
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Der
piezoelektrische Körper 17 besitzt
beim Ausführungsbeispiel
einen monolithischen Aufbau und besteht aus einem piezoelektrisch
aktivierbaren Material, beispielsweise einer Blei-Zirkonat-Titan-Oxidkeramik
(PZT) oder einer anderen Piezokeramik.
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Im
Anschluss an den lediglich eine Teilfläche des Tragkörpers 15 überdeckenden
piezoelektrischen Körper 17 ist
der Tragkörper 15,
im Bereich des Anschlussabschnittes 6, mit einem piezoelektrisch
nicht aktivierbaren Kunststoffkörper 18 belegt, der
zweckmäßigerweise
die gleiche Breite und Dicke wie der piezoelektrische Körper 17 aufweist
und bei dem es sich zweckmäßigerweise
um einen Kunstharzkörper
handelt. In dessen Bereich erfolgt die schon angesprochene Fixierung
des Biegewandlerelementes 4 in seinem Gebrauchszustand.
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Die
der belegten Oberseite 16 entgegengesetzte, als Unterseite 22 bezeichnete
zweite großflächige Seite
des Tragkörpers 15 ist
unbelegt. Man kann somit insgesamt von einem monomorphen Aufbau
sprechen. Bei Bedarf können
dort allerdings, wie auch an den anderen Außenflächen des Biegewandlerelementes,
elektrische Schaltungskomponenten vorhanden sein. Auch kann das
gesamte Biegewandlerelement 4 mit einem Überzug zum
Schutz gegen Umwelteinflüsse,
z.B. Feuchtigkeit, versehen sein.
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Für die elektrische
Aktivierung ist eine sich über
die dem Tragkörper 15 entgegengesetzte
Oberseite des piezoelektrischen Körpers 17 erstreckende obere
Elektrodenschicht 23 vorgesehen. Diese könnte durch
Einbrennsilber oder durch Besputteren realisiert sein. Besonders
vorteilhaft ist allerdings die beim Ausführungsbeispiel vorgesehen Variante,
bei der es sich um eine insbesondere durch Siebdruck aufgedruckte
Elektrodenschicht handelt, vorzugsweise bestehend aus Carbonmaterial,
das zur Verarbeitung als Carbonlack vorliegt. Die Elektrodenschicht kann
auch mittels eines Sprühverfahrens
aufgebracht sein.
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Die
obere Elektrodenschicht 23 ragt beim Ausführungsbeispiel
rückseitig über den
piezoelektrischen Körper 17 hinaus
und bedeckt auch eine Teilfläche
der Oberseite des im Anschlussabschnitt 6 vorgesehenen
Kunststoffkörpers 18.
Dieser Bestandteil der Elektrodenschicht 23 sei als Kontaktierungsabschnitt 25 bezeichnet.
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Der
Tragkörper 15 ist
bei dem Ausführungsbeispiel
der 1 bis 3 aufgrund der mit entsprechendem
Material ausgeführten Faserverstärkung elektrisch
leitfähig.
Dadurch bildet der Tragkörper 15 eine
den piezoelektrischen Körper 17 auf
der entgegengesetzten Seite wie die obere Elektrodenschicht 23 flankierende
untere Elektrodenschicht 24. Zur Aktivierung des Biegewandlerelementes 4 wird an
die beiden Elektrodenschichten 23, 24 die erwähnte Aktivierungsspannung
UA angelegt, mit der Folge, dass sich der
piezoelektrische Körper 17 aufgrund
des umgekehrten piezoelektrischen Effektes verkürzt und das Biegewandlerelement 4 aufgrund des
die Verkürzung
nicht mitmachenden Tragkörpers 15 gekrümmt bzw.
ausgelenkt wird.
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Zur
Kontaktierung der beiden Elektrodenschichten 23, 24 weist
das Biegewandlerelement 4 an der dem Tragkörper 15 entgegengesetzten
Oberseite des Kunststoffkörpers 18 zwei
von elektrisch leitenden Flächen
gebildete Anschlusspads 26, 27 auf. Diese sind
von wegführenden
elektrischen Leitern 28 kontaktiert, die beispielsweise
durch Anlöten
oder Ankleben elektrisch leitend angeschlossen sind. Es kann sich
um einzelne elektrische Leiter handeln oder beispielsweise um elektrische
Leiter einer flexiblen Leiterplatte bzw. Flexschaltung.
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Eines
der Anschlusspads 26 erstreckt sich unter den Kontaktierungsabschnitt 25 der
oberen Elektrodenschicht 23 und steht mit diesem in elektrisch
leitender Verbindung. Die Ver bindung kommt automatisch beim Auftragen
der oberen Elektrodenschicht 23 zustande.
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Das
andere Anschlusspad 27 ist über eine den Kunststoffkörper 18 durchsetzende
Durchkontaktierung 32 mit dem darunter liegenden, gleichzeitig eine
Elektrodenfunktion übernehmenden
Tragkörper 15 elektrisch
leitend verbunden. Um eine sichere elektrische Verbindung zu erhalten,
ist der Tragkörper 15 an
seiner Oberseite 16 im Bereich der Durchkontaktierung 32 zweckmäßigerweise
noch mit einer bevorzugt padartigen Metallisierung 33 versehen, beispielsweise
einer Kupferschicht.
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An
dieser Stelle sei erwähnt,
dass der piezoelektrische Körper 17 auch
einen Multilayeraufbau besitzen kann. Er enthält dann mehrere von Elektrodenschichten
flankierte piezoelektrische Materialschichten, die in geeigneter
Weise mit den Anschlusspads 26, 27 kontaktiert
sind, wobei aber auch hier der Tragkörper 15 bei Bedarf
die Funktion der untersten Elektrodenschicht übernehmen kann.
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Ein
besonderer Vorteil des Piezo-Biegewandlers 3 wird darin
gesehen, dass sein Tragkörper 15 nicht
nur eine tragende, stabilisierende Funktion bezüglich des piezoelektrischen
Körpers 17 übernimmt,
sondern gleichzeitig, also quasi in Baueinheit, einen Kompensationskörper bildet,
der insgesamt das gleiche thermische Ausdehnungsverhalten wie der
auf ihm sitzende piezoelektrische Körper 17 aufweist.
Dadurch wird erreicht, dass sich der Tragkörper 15 bei Temperatureinfluss
vergleichbar dehnt oder zusammenzieht wie der piezoelektrische Körper 17.
Man verhindert dadurch innere Spannungen, die sich dem ausschließlich gewünschten
piezoelektrischen Effekt überlagen
und das Betriebsverhalten des Biegewandlerelementes 4 beeinträchtigen.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, ist der Tragkörper 15 beim Ausführungsbeispiel
wie schon angedeutet ein aus faserverstärktem Kunststoffmaterial bestehender
Körper.
Zweckmäßigerweise
handelt es sich dabei um einen ausgehärteten Kunstharzkörper, wobei
sich vor allem Epoxidharz empfiehlt.
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In
dem aus ausgehärtetem
Kunstharz bzw. Epoxidharz bestehenden Grundmaterial 34 des
Tragkörpers 15 sind
die Verstärkungsfasern 35 vorzugsweise
unidirektional ausgerichtet und erstrecken sich in der Längsrichtung
des Biegewandlerelementes bevorzugt ununterbrochen über dessen
gesamte Länge.
Auf quer verlaufende Fasern wird zweckmäßigerweise verzichtet. Die
Verstärkungsfasern 35 liegen
zweckmäßigerweise
zumindest bereichsweise längsseits
aneinander an, so dass sie sich berühren. In den Schnittdarstellungen
wurden die Verstärkungs fasern 35 der
besseren Übersichtlichkeit
wegen mit einem gewissen Abstand zueinander abgebildet.
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Bei
allen Ausführungsbeispielen
beinhaltet der Tragkörper 15 Verstärkungsfasern 35 mit
sich voneinander unterscheidenden Temperaturausdehnungskoeffizienten.
Innerhalb des mit dem Grundmaterial 34 eingegangenen festen
Verbundes lässt
sich auf diese Weise relativ einfach eine Struktureinstellung finden,
die zur Folge hat, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient des
gesamten Tragkörpers 15 zumindest
im wesentlichen demjenigen des piezoelektrischen Körpers 17 entspricht.
Beispielsweise kann man durch Kombination von Verstärkungsfasern 35 mit
höheren
und niedrigeren Temperaturausdehnungskoeffizienten einen Zwischenwert
einstellen, der dem Temperaturausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen
Körpers 17 entspricht.
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Bei
allen Ausführungsbeispielen
unterscheiden sich die im Tragkörper 15 integrierten
Verstärkungsfasern 35 ihrer
Art nach. So handelt es sich beim Ausführungsbeispiel der Figuren
1 bis 3 und 5 um eine Kombination aus Kohlenstofffasern 35a und Glasfasern 35b.
Beim Ausführungsbeispiel
der 4 hingegen ist eine Faserkombination aus Kohlenstofffasern 35a und
Aramidfasern 35c vorgesehen. Auch andere Kombinationen
sind möglich.
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Alternativ
hierzu wäre
es auch möglich,
auf Verstärkungsfasern
der gleichen Materialgattung zurückzugreifen,
die allerdings aufgrund ihres Herstellungsverfahrens oder aufgrund
einer energetischen oder sonstigen Behandlung über unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten
verfügen.
Hier wäre
beispielsweise an unterschiedliche Glasarten zu denken.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 1 bis 3 sind die Verstärkungsfasern 35 in
einer regelmäßig abwechselnden
Verteilung im Tragkörper 15 angeordnet.
Es liegt eine abwechselnde Anordnung von Kohlenstofffasern 35a und
Glasfasern 35b vor, was zur Folge hat, dass insbesondere
auch in dem sich rechtwinkelig zur Ausdehnungsebene 9 unmittelbar
an den piezoelektrischen Körper 17 anschließenden Bereich
des Tragkörpers 15 elektrisch
leitende Kohlenstofffasern 35a vorhanden sind. Diese Kohlenstofffasern 35a sind
die Gewähr
für die
geschilderte Elektrodenfunktion des Tragkörpers 15.
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Die
Verstärkungsfasern 35 können geschichtet
in zur Ausdehnungsebene 9 des Biegewandlerelementes 4 parallelen
Faserschichten angeordnet sein, wie dies bei allen aus 3 bis 5 hervorgehenden
Ausführungsbeispielen
bevorzugt der Fall ist. Innerhalb dieser Faserschichten können ausschließlich Verstärkungsfasern
mit gleichem Temperaturausdehnungskoeffizient oder Verstärkungsfasern
mit unterschiedlichem Tempera turausdehnungskoeffizient vorgesehen
sein. Beim Ausführungsbeispiel
der 3 enthält
jede Faserschicht eine abwechselnde Reihe von Kohlenstofffasern 35a und
Glasfasern 35b. Bei den Ausführungsbeispielen der 4 und 5 sind
Faserschichten mit jeweils ausschließlich Kohlenstofffasern 35a und
zum anderen mit ausschließlich
Glasfasern 35b (5) oder Aramidfasern 35c (4)
vorgesehen. Soweit in einer Faserschicht unterschiedliche Faserarten
vorhanden sind, besitzen diese zweckmäßigerweise unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten.
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Die
Verstärkungsfasern 35 können auch
ungeordnet in dem Tragkörper 15 verteilt
sein.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 5 enthält
der Tragkörper 15 zumindest
im Anschluss an den piezoelektrischen Körper 17 ausschließlich elektrisch
nicht leitende Glasfasern 35b. In einem solchen Fall ist
es zweckmäßig, zwischen
dem Tragkörper 15 und
dem piezoelektrischen Körper 17 zusätzlich eine
gesonderte untere Elektrodenschicht 24a vorzusehen. Ihr
Aufbau entspricht zweckmäßigerweise
demjenigen der gesonderten oberen Elektrodenschicht 23,
wobei sie zweckmäßigerweise
auf die Oberseite 16 des Tragkörpers 15, insbesondere durch
Aufdrucken, aufgebracht ist.
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Eine
solche gesonderte Elektrodenschicht 24a kann im übrigen auch
bei denjenigen Ausführungsformen
zusätzlich
vorgesehen werden, bei denen der Tragkörper 15 als solches
schon elektrisch leitfähig
ist und eine Elektrodenfunktion übernehmen kann.
Man kann auf diese Weise die Elektrodenfunktion verbessern und begünstigt damit
die Ausbildung des elektrostatischen Feldes.
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Angestrebt
werden sollte allerdings ein Aufbau ohne gesonderte untere Elektrodenschicht
24a, da
dies die Herstellung des als Verbundkörper aus mehreren Einzelkörpern zusammengesetzten
Biegewandlerelementes
4 begünstigt. Es wird ein optimierter
Materialzusammenhalt erreicht. Dies gilt, zwar nicht ausschließlich, jedoch
in besonderem Maße
für Fälle, in
denen der Tragkörper
15 ein
aus mindestens einem Prepreg hergestellter faserverstärkter Duroplastkörper ist.
Der Prepreg ist ein bevorzugt plattenartiger, noch nicht ausgehärteter biegeschlaffer
Rohling mit eingebetteten Fasern, der über klebrige Eigenschaften
verfügt,
und auf den der piezoelektrische Körper aufgelegt wird, so dass
sich zunächst eine
Haftverbindung einstellt. Bei gleichzeitigem leichtem Zusammenpressen
wird dieser Körperverbund
einer Wärmebehandlung
ausgesetzt, wobei das Prepreg irreversibel unter Bildung eines Duroplasten
aushärtet
und eine innige Verbindung mit dem piezoelektrischen Körper
17 eingeht.
Eine solche Art der Her stellung geht grundsätzlich aus der
DE 199 20 576 C1 hervor
und erweist sich als vorteilhaft auch zur Realisierung des erfindungsgemäßen Piezo-Biegewandlers.
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Der
Rückgriff
auf die sogenannten Prepregs eröffnet
auch die Möglichkeit,
den Tragkörper 15 nicht
nur aus einem einzigen, sondern aus mehreren geschichtet aneinandergesetzten
Prepregs herzustellen. Diese Prepregschichten sind in 4 bei 36 strichpunktiert
angedeutet. Die mehreren Prepregschichten 36 werden aufeinander
gelegt und zuletzt mit dem piezoelektrischen Körper 17 versehen und dann
als Gesamteinheit unter Wärmeeinfluss
miteinander verbacken. Der Rückgriff
auf Prepregschichten 36 hat den Vorteil, dass man mit unterschiedlichen Verstärkungsfasern 35 bestückte Prepregs
bereitstellen kann, die man dann dem gewünschten Gesamtergebnis entsprechend
auswählen
und kombinieren und zu dem Tragkörper 15 vereinigen
kann. Da sich beim Aushärten
des Grundmaterials 34 eine innige Verbindung zwischen den
einzelnen Prepregschichten 36 einstellt, werden beim fertiggestellten Tragkörper 15 die Übergangsbereiche
zwischen den einzelnen Prepregschichten 36 nicht mehr besonders
ausgeprägt
sein, so dass man im weitesten Sinne einen relativ homogenen Materialverbund
erreicht.
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Die
Verstärkungsfasern 35 können auch
aus nachwachsenden, organischen Fasermaterialien bestehen.