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Piezoelektrische Betätigungseinrichtung mit zwei
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Kristallplattenbereichen B e s c h r e i b u n g Die Erfindung bezieht
sich auf eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung mit zwei Kristallplattenbereichen
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere auf eine solche Betätigungseinrichtung,
die durch gemeinsames Brennen ozw. Backen monolithischer piezoelektrischer Keramikschicnten
mit dazwischenliegenden inneren Elektroden erhalten wird.
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In Fig. 12 ist ein Längsschnitt einer derartigen konventionellen piezoelestrischen
Betätigungseinrichtung 6 mit zwei Kristallplattenbereichen dargestellt. Diese piezoelektrische
Betätigungseinrichtung besitzt eine innere Elektrode 1, piezoelektrische Keramikschichten
2 und 3, die an beiden Seit-n der inneren Elektrode 1 durch gemeinsames Brennen
ozw. Backen mit dieser verbunden sind, sowie äußere Elektroden 4 und 5, von denen
jeweils eine auf einer äußeren Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschichten
2 bzw. 3 angeordnet ist. Ein derartiger doppelzelliger piezoelektrischer Vibrator
6 wird durch Aufeinanderlegen noch unbehandelter bzw. ungebackener Schichten, die
die piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 bilden, und durch gemeinsames Brennen
bzw. Backen erhalten, wobei zwischen den beiden piezoelektrischen Keramikschichten
2 und 3 die innere Elektrode 1 liegt.
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Die piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 können deswegen eine
reduzierte Dicke besitzen, wodurch sich
der Betrag der Verschiebung
vergrößert.
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Eine der Fig. 12 entsprechende piezoelektrische Betätigungseinrichtung
mit zwei Kristallplattenbereichen ist bereits in der offengelegten japanischen Patentanmeldung
Nr. 69999/1981 beschrieben.
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Wie bereits erwähnt, werden die 'ziezoelektrischen Keramikplatten
2 und 3 des bimorphen Vibrators 6 mit der beschriebenen Struktur nach Fig. 1' gemeinsam
gebrannt bzw.
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gebacken, wobei die interne Elektrode 1 im allgemeinen durch eine
Metallpaste oder dergleichen gebildet wird, die vor dem Brennen bzw. Backen auf
eine der genannten piezoelektrischen Keramikschichten 2 oder 3 aufgetragen wird.
Die interne Elektrode 1 besitzt daher eine nur sehr kleine Dicke von etwa 2 bis
5 Mm. Wird zwischen der internen Elektrode 1 und den äußeren Elektroden 4 und 5
eine Spannung angelegt, so dehnt sich eine der an beiden Seiten der inneren Elektrode
1 liegenden piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 aus, während sich die andere
zusammenzieht, wie durch die Doppelpfeile in Fig. 12 dargestellt ist.
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Dementsprechend werden keramische Kristallkornstrukturen in den jeweiligen
piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 in entgegengesetzter Richtung zueinander
jeweils zusammengedrückt bzw. voneinander getrennt, so daß ihre Bewegung durch die
jeweilige Bewegung der auf der anderen Seite der internen Elektrode 1 liegenden
Kristallkornstrukturen bei der Expansion bzw. Kontraktion behindert wird. Hierdurch
entstehen in den an beiden Seiten der internen Elektrode 1 liegenden piezoelektrischen
Keramikschichten 2 und 3 und in der Nähe der internen Elektrode 1 Spannungen, die
einen Einfluß uf die Verschiebung des bimorphen Vibrators 6 haben, durch den eine
piezoelektrische und zwei Kristallplattenbereiche aufweisende Betätigungseinrichtung
erhalten
wird. Diese genannten mechanischen Spannungen bewirken eine Vergrößerung der Verschiebungshysterese.
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Mit anderen Worten bewegen sich die Kristallkornstrukturen, die die
zu beiden Seiten der inneren Elektrode 1 liegenden piezoelektrischen Keramikschichten
2 und 3 bilden, voneinander weg bzw. aufeinander zu, und zwar in entgegengesetzter
Richtung auf beiden Seiten der inneren Elektrode 1.
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Das heißt, daß einander gegenüberliegende Bereiche der piezoelektrischen
Keramikschichten 2 und 3 auf beiden Seiten der inneren Elektrode 1 sich in verschiedene
Richtungen bewegen, so daß die Verschiebungshysterese ansteigt, wenn positive oder
negative Spannungen abwechselnd an die Elektroden angelegt werden.
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Diese Verschiebungshysterese tritt nicht nur bei dem bimorphen Vibrator
6 nach Fig. 12 auf, sondern auch in allen anderen piezoelektrischen bimorphen Betätigungseinrichtungen,
die durch Aufeinanderlegen einer Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten
zu beiden Seiten einer inneren Elektrode gebildet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung
mit zwei Kristallplattenbereichen so weiterzubilden, daß sie im Vergleich zur konventionellen
piezoelektrischen Betätigungseinrichtung eine verringerte Verschiebungshysterese
besitzt.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des
Patentans,pruchs 1 angegeben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung mit zwei Kri-
stallplattenbereichen
nach der Erfindung (bimorpher Vibrator) besitzt erste und zweite pißzoelektrische
Keramikschichten, die sich in entgegengesetzten Richtungen zusammenziehen bzw. ausdehnen,
eine zwischen den ersten und zweiten Keramikschichten angeordnete Relaxationsschicht
zum Abbau von Spannungen, die au grund von Vibrationen der ersten und zweiten piezoelektrischen
Keramikschichten in den entgegengesetzten Richtungen auftreten, äußere und auf den
äußeren Seiten der ersten und zweiten piezoelektrischen Keramikschichten aufgebrachten
Elektroden sowie erste und zweite innere Elektrodzn, die auf dasselbe Potential
legbar und jeweils zwiscnen der Relaxationsschicht und den ersten bzw. zwischen
der Relaxationsschicht und den zweiten piezoelektrischen Keramikschichten liegen,
die mit den ersten piezoelektrischen Keramikschichten und der Relaxationsschicht
durch gleichzeitiges Brennen bzw. Backen gebildet werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzen alle
ersten und zweiten piezoelektrischen Keramikschichten eine gleiche Dicke untereinander.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die ersten und
zweiten piezoelektrischen Keramikschichten untereinander verschiedene Dicken aufweisen.
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An jeder Seite der Relaxationsschicht ist nach einer anderen Ausgestaltung
der Erfindung nur eine piezoelektrische Keramikschicht angeordnet.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an jeder
Seite der Relaxationsschicht eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten
mit jeweils dazwischenliegenden Elektroden angeordnet. Die Anzahl der ersten piezoelektrischen
Keramikschichten kann dabei gleich der Anzahl der zweiten piezoelektrischen Keramikschichten
sein. Andererseits kann die Anzahl der ersten piezoelek-
trischen
Keramikschichten auch ungleich der Anzahl der zweiten piezoelektrischen Keramikschichten
sein.
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Im folgenden wird anstatt des Begriffs "Verschiebungshysterese" der
Einfachheit halber nur noch der Begriff "Hysterese" verwendet.
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Die vorliegende Erfindung besteht also kurz gefaßt darin, daß die
piezoelektrische Betätigungseinrichtung erste und zweite piezoelektrische Keramikschichten
besitzt, die sich jeweils in entgegengesetzter Richtung zusammenziehen bzw. ausdehnen,
wobei zwischen den ersten und zweiten piezoelektrischen Keramikschichten eine Relaxationsschicht
angeordnet ist, die selbst nicht aktiv angesteuert bzw.
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positiv zu Schwinglngen angeregt wird. Die Relaxationsschicht ist
deswegen in der Lage, gegeneinander gerichtete Schwingungen der ersten und zweiten
piezoelektrischen Keramikschichten auszugleichen bzw. abzubauen. Erste und zweite
piezoelektrische Keramikschichten und die Relaxationsschicht werden durch gemeinsames
Brennen bzw.
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Backen gebildet, d. h. daß alle genannten Schichten zur selben Zeit
übereinanderliegend aufgeheizt werden. Dabei trägt die Relaxationsschicht an ihren
beiden Seiten erste und zweite innere Elektroden, die gemeinsam herausgezogen und
beispielweise außen miteinander verbunden sind.
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Weiterhin befindet sich jeweils eine äußere Elektrode auf jeweils
einer äußeren Seite der ersten bzw. zweiten piezoelektrischen Keram#kschichten.
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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung mit
zwei Kristallplattenbereiclen nach der Erfindung,
Fig. 2 eine graphische
Darstellung, in der der Betrag der Hysterese und der piezoelektrischen Verformungs-
bzw. Dehnungskonstanten d31 in Abhängigkeit des Dickenverhältnisses zwischen piezoelektrischen
Keramikschichten und Relaxationsschicht nach Fig. 1 aufgetragen ist, Fig. 3 bis
10 verschiedene Darstellungen zur Erläuterung der Hysterese bzw. Verschiebungshysterese
in Abhängigkeit von Spitze-zu-Spitze-Spannungen von 200 und 300 V bei einem Bezugsbeispiel
und drei weiteren Beispielen 1 bis 3, Fig. 11A und llB weitere piezoelektrische
Betätigungseinrichtungen mit zwei Kristallplattenbereichen nach der Erfindung und
mehreren piezoelektrischen Keramikschichten auf beiden Seiten einer Relaxationsschicht,
wobei gemäß Fig. llA die Anzahl der ersten piezoelektrischen Keramikschichten gleich
der Anzahl der zweiten piezoelektrischen Keramikschichten ist, während in Fig. 11B
die Anzahl der ersten piezoelektrischen Keramikschichten ungleich der Anzahl der
zweiten piezoelektrischen Keramikschichten auf der anderen Seite der Relaxationsschicht
ist, und Fig. 12 einen Längsschnitt durch eine konventionellen piezoelektrische
Betätigungseinrichtung (bimorphe Betätigungseinrichtung).
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Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt bzw. eine Seitenansicht der piezoelektrischen
Betätigungseinrichtung mit zwei Kristallplattenbereichen nach der Erfindung. Diese
Betätigungseinrichtung besitzt eine Relaxationsschicht 7, die selbst nicht angesteuert
bzw. positiv angetrieben wird und die zwischen den piezoelektrischen Keramik-
schichten
2 und 3 liegt, welche sich in entgegengesetzter Richtung zueinander bewegen. Auf
beiden Seiten der Relaxationsschicht 7 sind interne Elektroden la und lb angeordnet.
Die piezoelektrische bimorphe Betätigungseinrichtung 16 nach Fig. 1 wird durch Übereinanderschichten
von beispielsweise unbehandelten oder ungebackenen piezoelektrischen Keramikschichten
erhalten, die die piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 und die Relaxationsschicht
7 bilden. Zwischen den genannten piezoelektrischen Keramikschichten liegt eine Metallpaste,
durch die die internen Elektroden la und lo gebildet werden. Die so aufeinandergestapelten
piezoelzktrischen Keramikschichten 2, 3 und 7 werden dann gemeinsam gebrannt bzw.
gebacken. Die Dicke der gesamten piezoelektrischen bimorphen Betätigungseinrichtung
16 kann somit beträchtlich verringert werden im Vergleich zu einer solchen Einrichtung,
die durch Übereinanderstapeln von zuvor gebrannten bzw. gebackenen piezoelektrischen
Keramikelementen und inneren Elektroden erhalten wird. Dies erfolgt auch bei der
konventionellen piezoelektrischen bimorphen Betätigungseinrichtung 6 nach Fig. 12,
wie bereits erwähnt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind innere Elektroden la und
lb an beiden Seiten der Relaxationsschicht 7 angebracht, so daß Deim Anlegen von
Spannungen an die piezoelektrische binorphe Betätigungseinrichtung 16 die Relaxationsschicht
7 selbst nicht positiv verschoben bzw. in Schwingungen versetzt wird, während die
piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 in zueinander entgegengesetzten Richtungen
verschoben werden. Es konnte daher erwartet werden, daß die Relaxationsschicht 7
die gegenseitige Beeinflussung bzw. Behinderung zwischen den piezoelektrischen keramischen
Schichten 2 und 3 unterbindet, die durch Verschiebung der jeweiligen Kristallkornstrukturen
der piezoelektrischen Keramikschichten 2 bzw.
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3 in der Nähe der internen Elektroden la und lb in ent-
gegengesetzter
Richtung hervorgerufen wird. Ferner konnte erwartet werden, daß sich gleichzeitig
die Hysterese bzw.
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Verschiebungshysterese der piezoelektrischen bimorphen Betätigungseinrichtung
16 erheblich verringert, auch wenn die piezoelektrischen Keramikschnchten 2 und
3 wiederholt in entgegengesetzter Richtung verschoben werden.
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Um den zuvor erwähnten und erwarteten Effekt durch die Relaxationsschicht
7 zu bestätigen, wurden Messungen bezüglich des Betrags der Verschiebunr und der
Verschiebungshysterese durchgeführt, und zwar an einer Bezugsbetätigungseinrichtung
(Bezugsbeispiel) ohne Relaxationsschicht 7 und an drei weiteren piezoelektrischen
Betätigungseinrichtungen (Beispiele 1 bis 3) mit unterschiedlichen Dikken bezüglich
der Relaxationsschichten 7 und piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3. Jede
der piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 und die Relaxationsschichten 7 besaßen
Abmessungen von 11 mm x 5 mm (Länge x Breite) sowohl beim Bezugsbeispiel as auch
bei den Beispielen 1 bis 3.
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Die entsprechenden Größen für da Bezugsbeispiel und die Beispiele
1 bis 3 werden im folgenden genauer angegeben: Bezugsbetätigungseinrichtung (Bezugsbeispiel):
Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 = 0,2 mm, keine Relaxationsschicht
7 vorhanden.
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Erste Betätigungseinrichtung (Beispiel 1): Dicke der piezoelektrischen
Keramikschichten 2 und 3 = 0,2 mm, Dicke der Relaxationsschicht 7 = 0,025 mm.
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Zweite Betätigungseinrichtung (Beispiel 2): Dicke der piezoelektrischen
Keramikschichten 2 und 3 = 0,17 mm, Dicke der Relaxationsschicht 7 = 0,06 mm.
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Dritte Betätigungseainrichtung (Beispiel 3): Dicke der piezoelektrischen
Keramikschichten 2 und 3 = 0,15 mm, Dicke der Relaxationsschicht 7 = 0,12 mm.
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Verschiebung und Hysterese wurden bei einer positiven und negativen
Spitze-zu-Spitze-Spannung von Vpp = 200 V und 300 V gemessen, wobei die Hysterese
wie folgt ausgedrückt wird:(Hysterese bei einer Antriebsspannung von 0 V)/(Verschiebung
zwischen positiver und negativer Spitzenspannung) x 100 (%).
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Die erhaltenen und in den Fig. 3 bis 10 dargestellten Ergebnisse sind
in der folgenden Tabelle nochmals zusammengestellt: Tabelle Vpp 200 V Vpp 300 V
Verschiebung Hysterese Verschiebung Hysterese Bezugs- 76 #m 10,4 % 150 pm 23,3 %
beispiel d31 = 130x10 12 (C/N) d31 = 170x10 12 (C/N) Bei- 105 um 5,7 % 148 #m 8,0
% spiel 1 d31 = 190x1012 (C/N) d31 = 18fix 10 12 (C/N) Bei- 114 Im 5,3 % 168 um
7,1 % spiel 2 d31 = 180x1012 (C/N) d31 = 190x10 12 (C/N) Bei- 140 pm 7,8 % 248 um
12,8 % spiel 3 d31 = 250x10 12 (C/N) d31 = 310x10 2 (C/N) Wie anhand der Ergebnisse
in der Tabelle leicht zu erkennen ist, konnte die Hysterese in den Beispielen 1
bis 3 gegenüber der Hysterese beim Bezugsbeispiel erheblich gesenkt werden, und
zwar auf ein Drittel bzw. auf die Hälfte
der Hysterese des Bezugsbeispiels.
In entsprechender Weise hat sich die piezoelektrische Verformungskonstante d31 im
Verhältnis zur Dicke der Relaxationsschicht 7 erhöht.
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Die Experimente haben bestätigt, daß eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung
mit wei Kristallplattenbereichen (bimorpher Vibrator) mit geringer Hysterese erhalten
werden kann, wenn der folgende Ausdruck erfüllt ist: 0,1 <= B/A 5 0,5 Hierbei
ist A die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3 und B die Dicke der
Relaxationsschicht 7.
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In Fig. 2 sind mit durchgezogenen Linien Werte dargestellt, die bei
einer positiven und negativen Spitze-zu-Spitze-Spannung von 200 V erhalten worden
sind. Die gebrochenen Linien zeigen dagegen Werte an, die bei einer entsprechenden
Spannung von 300 V erhalten worden sind.
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Die durchgezogene Linie 0 und die unterbrochene Linie P geben dabei
die Werte für die Hysterese (8) an, während die durchgezogene Linie Q und die unterbrochene
Linie R Werte der piezoelektrischen Verformungskonstanten d31 darstellen.
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Wie aus Fig. 2 und der Tabelle ersichtlich, kann nach der vorliegenden
Erfindung eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung mit einem geringen Betrag
der Verschiebungshysterese für den Fall erhalten werden, daß eine Verringerung dieses
Betrags erforderlich ist, während andererseits die Verschiebung selbst in einem
großen gewünschten Umfang durch Wahl der entsprechenden Dicke der Relaxationsschicht
7 eingestellt werden kann, die beispielsweise bis zu fünfmal so dick wie die piezoelektrischen
Keramikschichten 2 und 3 sein kann, wenn eine Erhöhung des Betrags der Verschiebung
erforderlich ist.
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In Fig. 11A ist eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Sie besitzt an einer
SeiteeinerRelaxationsschicht 17 drei erste piezoelektrische Keramikschichten 12a
bis 12c, während an der anderen Seite der Relaxationsschicht 17 drei zweite piezoelektrische
Kermaikschichten 13a bis 13c angeordnet sind. Auf den äußeren Seiten der äußeren
piezoelektrischen Keramikschichten 12a und 13c liegen Elektroden i4 und 15, während
zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichten Elektroden 18a, 18b und
19a, 19b liegen. Zwischen den inneren ersten bzw.
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zweiten piezoelektrischen Keramikschichten 12c, 13a und der Relaxationsschicht
17 liegen Elektroden lla und llb.
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Die inneren Elektroden lla und llb sowie die Elektroden 18a und 19b
sind elektrisch miteinander verbunden, während andererseits die Elektroden 14, 18b,
l9a und 15 gemeinsam miteinander elektrisch verbunden sind. Die unbehandelten bzw.
noch ungebackenen Keramikschichten 12a bis 12c und 13a bis 13c sowie die Elektroden
18a, 18b, l9a und 19b werden übereinandergestapelt und gemeinsam gebrannt bzw. erhitzt.
Dies kann auch für die gesamte in Fig. llA dargestellte Schichtstruktur einschließlich
der Relaxationsschicht 17 gelten. Bei dieser Schichtstruktur sind auf beiden Seiten
der Relaxationsschicht 17 gleich viele piezoelektrische Keramikschichten angeordnet.
Auch die Relaxationsschicht 17 wird durch eine derartige piezoelektrische Keramikschicht
gebildet. Ihre Dicke kann in gewünschter Weise gewählt werden, wie zuvor anhand
der Fig. 2 bis 10 beschrieben.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung
mit zwei Kristallplattenbereichen 22, 23 ist in Fig. llB dargestellt. Bei dieser
Betätigungseinrichtung sind auf beiden Seiten einer Relaxationsschicht 27 unterschiedlich
viele piezoelektrische Keramikschichten a#geordnet. So sind beispielsweise nur
drei
piezoelektrische erste Kerainikschichten 22a bis 22c vorhanden, während vier zweite
piezoelektrische Keramikschichten 33a bis 33d im Kristallplattenbereich 23 vorhanden
sind. Die Relaxationsschicht 27 trägt Elektroden 21a und 21b, die gemeinsam herausgezogen
und auf ein gleiches Potential legbar sind. Zwischen den ersten piezoelektrischen
Keramikschichten befinden sich Elektroden 28a und 28b, während auf der äußeren Seite
der äußeren ersten piezoelektrischen Keramikschicht 22a eine Elektrode 24 angeordnet
ist. Zwischen den zweiten piezoelektrischen Keramikschichten befinden sich Elektroden
29a, 29b und 29c, während auf der äußeren Seite der äußeren zweiten piezoelektrischen
Keramikschicht 33d die Elektrode 25 liegt. Die Elektroden 28a, 21a, 21b, 29b und
25 sind gemeinsam und elektrisch miteinander verbunden, während andererseits die
Elektroden 24, 28b, 29a und 29c elektrisch miteinander verbunden sind. Auch diese
Schichtstruktur nach Fig. llB kann durch Übereinanderstapeln der entsprechenden
piezoelektrischen Keramikschichten und durch anschließendes gemeinsames Erhitzen
bzw. Brennen gebildet werden, wobei die genannten Elektroden und die Relaxationsschicht
27 zwischen den piezoelektrischen Keramikschichten liegen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die ersten und zweiten
piezoelektrischen Keramikschichten, beispielsweise die piezoelektrischen Keramikschichten
2 und 3 in Fig. 1, untereinander selbst eine verschiedene Dicke aufweisen. So kann
beispielsweise in Fig. 1 die piezoelektrische Keramikschicht 2 dicker als die piezoelektrische
Keramikschicht 3 sein.
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Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf piezoelektrische Betätigungseinrichtungen
anwendbar, bei denen die Verschiebungshysterese nur einen extrem geringen Betrag
besitzen darf. Derartige piezoelektrische Betätigungs-
einrichtungen
eignen sich beispielsweise zur Spureinstellung bzw. Spurverfolgung von Videoköpfen
(VTR-Köpfen), für piezoelektrische Schaltelemente, die einen hohen Verschiebungsbetrag
besitzen müssen, und für verschiedene andere piezoelektrische Einrichtungen, beispielsweise
piezoelektrische Summer oder piezoelektrische Lautsprecher.
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