WO2020216414A1

WO2020216414A1 - Aktuator

Info

Publication number: WO2020216414A1
Application number: PCT/DE2020/100315
Authority: WO
Inventors: Burhanettin Koc; Kevin Speer
Original assignee: Pi Ceramic Gmbh
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2020-10-29
Also published as: DE102019110736A1; DE102019110736B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator (1, 2) mit einem Stapel (10, 20), der in einer Aktuator-Achsenrichtung gestapelte Schichten elektromechanischen Materials (11, 21) sowie zwischen den Schichten elektromechanischen Materials (11, 21) angeordnete Ansteuerelektrodenschichten (12a, 12b, 222a, 222b), die jeweils alternierend mit Anschlusselektroden (14, 15, 24, 25) unterschiedlicher Polarität an einer Seitenwand oder an zwei Seitenwänden des Stapels verbunden sind, und thermisch leitende, aber elektrisch nicht angeschlossene Wärmeableitungsschichten (13, 23) umfasst, wobei jeweils zwischen zwei Ansteuerelektrodenschichten genau eine Wärmeableitungsschicht angeordnet ist oder Wärmeableitungsschichten mit mindestens einem Teil der Ansteuerelektrodenschichten kombiniert sind und kombinierte Ansteuerelektroden- /Wärmeableitungsschichten (22a, 22b) bilden, und an mindestens einer Seitenwand des Stapels ein elektrisch isolierend wirkendes Wärmeableitungselement (16, 26) vorgesehen ist, mit der die Wärmeableitungsschichten (13, 23) thermisch leitend verbunden sind.

Description

Beschreibung

Aktuator

[0001] Die Erfindung betrifft einen Aktuator in Form eines Prismas mit einer

runden oder vieleckigen Grundfläche, der in einer Längserstreckungs oder Stapelrichtung gestapelte Schichten elektromechanischen Materials sowie zwischen diesen Schichten angeordnete

Ansteuerelektrodenschichten umfasst, die jeweils alternierend mit an der Mantelfläche des Aktuators angeordneten Anschlusselektroden

unterschiedlicher Polarität elektrisch verbunden sind.

[0002] Unter dem sowohl vorstehend, als auch nachfolgend verwendeten Begriff .elektromechanisches Material ist dabei ein Material zu verstehen, welches insbesondere piezoelektrische Eigenschaften aufweist, jedoch können darunter auch elektrostriktive oder magnetostriktive Materialien fallen.

[0003] Aktuatoren aus einem elektromechanischen Material, beispielsweise aus einer Piezokeramik, sind seit Langem bekannt und in massenhaftem technischem Einsatz, etwa als Betätigungselemente von Ventilnadeln in Kraftstoffeinspritzanlagen von Verbrennungsmotoren und in Antriebs- und Positioniervorrichtungen für mechanische Bauteile in anderen

Anwendungen. Aufgrund ihrer großen technischen Bedeutung sind solche Aktuatoren Gegenstand ständiger technischer Weiterentwicklung in verschiedene Richtungen, unter anderem zur Erhöhung der

Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit auch unter extremen

Einsatzbedingungen.

[0004] Es ist eine bekannte Tatsache, dass bei der elektrischen Aktivierung eines elektromechanischen Aktuators, abhängig von den Betriebsbedingungen, insbesondere der elektrischen Spannung und/oder der Betriebsfrequenz, im Aktuatorkörper eine erhebliche und unerwünschte Wärmemenge entstehen kann, wobei die Ableitung dieser Wärme eine Voraussetzung für eine hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer und für die Vermeidung von Beschädigungen des Aktuators ist. In der Praxis führt die

Wärmeproblematik zu Einschränkungen bei der unterbrechungsfreien Betriebsdauer bzw. zur vorsorglichen Einschränkung der maximal möglichen Betriebsfrequenz.

[0005] In den Druckschriften US 6,452,308 B1 und US 7,420,321 B2 wird

vorgeschlagen, thermisch gut leitfähige Materialien an die Seitenflächen des Piezoaktuators aufzubringen, um die Wärmeableitung an die

Umgebung zu verbessern. In den Druckschriften WO 2006/100247 A1 und DE 10 2014 221 001 A1 wird vorgeschlagen, Wärmeableitungsschichten aus gut wärmeleitendem Material in das Innere eines Piezokeramik- Stapels einzulagern, die parallel zur Boden- und Deckfläche des Stapels angeordnet und insbesondere wärmeleitend mit einem

Wärmeableitungselement an einer Seitenwand des Piezo-Stapels verbunden sind. Hierbei wird auch direkt aus dem Inneren des Piezo- Stapels verstärkt Wärme abgeführt.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich seiner

Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb verbesserten Aktuator anzugeben.

[0007] Diese Aufgabe wird durch einen Aktuator mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 gelöst.

[0008] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung gegenüber dem Stand der

Technik ist es, die Wärmeableitung aus dem Inneren des in Stapelform vorliegenden Aktuators zu intensivieren bzw. zu optimieren. Demnach ist vorgesehen, dass jeweils zwischen zwei Ansteuerelektrodenschichten unterschiedlicher Polarität wenigstens eine elektrisch nicht

angeschlossene Wärmeableitungsschicht angeordnet ist, und die

Wärmeableitungsschichten jeweils thermisch leitend mit mindestens einem an der Mantelfläche des Prismas bzw. des Stapels angeordneten und elektrisch isolierend wirkenden Wärmeableitungselement verbunden sind, wobei das Wärmeableitungselement bevorzugt flächenhaft ausgeführt ist.

[0009] Hierbei kann es von Vorteil sein, dass die Dicke einer

Wärmeableitungsschicht 1/100 bis 1/10 der Dicke einer Schicht elektromechanischen Materials beträgt, wobei besonders bevorzugt die Dicke einer Wärmeableitungsschicht zwischen 1 und 10pm beträgt. [0010] Es kann zudem von Vorteil sein, dass die Wärmeableitungsschichten

Kohlenstoff, insbesondere als Kohlenstoff-Nanotubes oder als Graphen, aufweisen. Alternativ können die Wärmeableitungsschichten ein Metall oder eine thermisch hochleitfähige Keramik, etwa AIN, aufweisen. Als Metall kommt eine Edelmetall-Legierung oder unter Kosten-Aspekten grundsätzlich auch Aluminium, Nickel oder Kupfer oder eine Legierung dieser Metalle in Betracht. Auch das Wärmeableitungselement kann die vorstehend aufgeführten Materialien aufweisen bzw. aus diesen bestehen.

[0011] In einer Ausführung kann der Aktuator so ausgestaltet sein, dass weniger Ansteuerelektrodenschichten als Wärmeableitungsschichten im Stapel des Aktuators vorgesehen sind. Insbesondere kann jeweils an der letzten endständigen Schicht elektromechanischen Materials des Stapels eine Wärmeableitungsschicht anliegen.

[0012] Es kann vorteilhaft sein, dass das Wärmeableitungselement hexagonales Bornitrid, Aluminiumnitrid oder ein mit thermisch leitfähigen Partikeln gefülltes Polymer umfasst und vorzugsweise aus diesen Materialien besteht.

[0013] In weiteren Ausführungen kann ein oder jedes Wärmeableitungselement an der gleichen Seitenwand des Stapels wie eine Anschlusselektrode angeordnet sein. Grundsätzlich kann aber ein oder jedes

Wärmeableitungselement auch an einer nicht mit einer

Anschlusselektrode belegten Seitenwand des Stapels angeordnet sein. Weiterhin ist denkbar, dass ein Wärmeableitungselement in einem

Querschnitt, der senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Aktuators verläuft, eine L-Form aufweist und den Stapel an zwei aneinander angrenzenden Seitenflächen kontaktiert. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der kürzere Schenkel der L-Form an der Seitenfläche angeordnet ist, an welcher auch eine Anschlusselektrode angeordnet ist, während der längere Schenkel der L-Form an einer Seitenfläche angeordnet ist, an der keine Anschlusselektrode angeordnet ist und diese Seitenfläche bevorzugt vollflächig bzw. im Wesentlichen vollflächig bedeckt. Auf diese Weise lässt sich die Wärmeableitung aus dem Inneren des Stapels weiter optimieren. Es ist zusätzlich denkbar, das Wärmeableitungselement U-förmig auszuführen, so dass dieses an drei aneinander angrenzenden

Seitenflächen des Aktuators anliegt.

[0014] In einer Ausführung kann wenigstens eine Wärmeableitungsschicht mit einer Ansteuerelektrodenschicht kombiniert sein und so eine kombinierte Ansteuerelektroden-/Wärmeableitungsschicht bilden. Hierbei kann die Wärmeableitungsschicht auf die entsprechende

Ansteuerelektrodenschicht aufgelegt sein, und im Falle einer beidseitigen Anordnung von Wärmeableitungsschichten an einer

Ansteuerelektrodenschicht diese zwischen sich einschließen. Bevorzugt ist hierbei eine vollständige Bedeckung der Ansteuerelektrodenschicht durch die Wärmeableitungsschicht bzw. die Wärmeableitungsschichten, wobei jedoch auch eine teilweise Bedeckung denkbar ist.

[0015] Zumindest in Ausführungsformen der Erfindung erbringt diese wesentliche Vorteile gegenüber bekannten Aktuatoren. Insbesondere wird in jedem Betriebszustand, d.h. sowohl in einem Resonanz-Zustand, als auch außerhalb eines Resonanz-Zustands, die Wärmeableitung aus dem

Aktuator erheblich verbessert und somit die thermische Belastung des elektromechanischen Materials des Aktuators deutlich verringert und zugleich die Effizienz, also der Wirkungsgrad der Ansteuerung, erhöht.

[0016] Im Übrigen ergeben sich Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und - aspekten anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

[0017] Fig. 1A und 1 B: perspektivische Ansicht eines Aktuators gemäß einer

ersten Ausführung der Erfindung, wobei in Fig. 1 B ein Teilschnitt bezüglich des in Fig. 1A gezeigten Aktuators dargestellt ist

[0018] Fig. 2: Darstellung betreffend die Schichtabfolge des Aktuators gemäß Fig.

1A und 1 B

[0019] Fig. 3A und 3B: unterschiedliche perspektivische Ansichten eines

Aktuators gemäß einerweiteren Ausführungsform der Erfindung

[0020] Fig. 4: Darstellung betreffend die Schichtabfolge des Aktuators gemäß Fig.

3A und 3B [0021] Fig. 5: Darstellung eines Details von Fig. 4 mit zwei einzelnen

Piezoschichten und den daran angeordneten kombinierten

Ansteuerelektroden-/Wärmeableitungsschichten

[0022] Fig. 6: unterschiedliche perspektivische Ansichten eines Aktuators in einer Abwandlung zu dem Aktuator gemäß Fig. 3A und 3B mit um die

Längskanten des Aktuators herumgeführten Wärmeableitungselementen

[0023] Die Figuren 1 A und 1 B zeigen jeweils in perspektivischer Ansicht einen Aktuator 1 mit einer Vielzahl von aufeinander gestapelten Schichten 11 piezokeramischen Material, die einen Stapel 10 in Form eines

quadratischen Prismas mit vier Seitenflächen und zwei endständigen Endflächen ergeben. Fig. 1 B entspricht hierbei einer partiellen

Längsschnittdarstellung, bei der ein Viertel des Stapels gemäß Fig. 1A ausgeschnitten ist. Es ist denkbar, dass die Grundfläche des Prismas nicht quadratisch, sondern beispielsweise rechteckig ist. Zudem ist denkbar, dass die Grundform des Prismas dreieckig ist oder mehr als vier Ecken aufweist. Darüber hinaus sind Formen des Stapels 10 denkbar, dessen Grundfläche bzw. Querschnitt zumindest abschnittsweise rund ist, insbesondere eine Zylinderform oder eine Hohlzylinderform.

[0024] Der Stapel 10 umfasst eine Vielzahl von Piezokeramikschichten 11 ,

zwischen denen abwechselnd elektrisch gut leitfähige Ansteuerelektroden schichten 12a bzw. 12b und thermisch gut leitende Wärmeablei

tungsschichten 13 angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Ansteuerelektrodenschichten 12a und 12b, die mit unterschiedlichen Anschlusselektroden verbunden sind, genau eine Wärmeableitungsschicht 13 gelegen ist. Im Folgenden wird für den Stapel aus

Piezokeramikschichten 11 auch der Begriff ,Piezo-Stapel‘ verwendet, und dazu in Analogie für einen entsprechenden Aktuator der Begriff ,Piezo- Aktuator .

[0025] Die ersten Ansteuerelektrodenschichten 12a sind mit einer ersten, flächig ausgeführten und für eine erste Polarität vorgesehenen Anschluss elektrode 14 (nur in Fig. 1A zu sehen und mit einer geraden, parallelen Schraffur versehen) an einer ersten Seitenwand des Piezo-Stapels 10 elektrisch leitfähig verbunden, und die zweiten Ansteuerelektrodenschichten 12b sind mit einer zweiten, nur in Fig. 1 B erkennbaren, aber ebenfalls flächigen und für eine zweite Polarität vorgesehenen Anschlusselektrode 15 (mit einer gekreuzten Schraffur versehen) an einer anderen Seitenwand des Piezo-Stapels, die der mit der Anschlusselektrode 14 versehenen Seitenwand gegenüberliegt, elektrisch leitfähig verbunden.

[0026] Die Wärmeableitungsschichten 13, die jeweils zwischen zwei mit

unterschiedlichen Anschlusselektroden elektrisch verbundenen

Ansteuerelektrodenschichten 12a und 12b liegen, sind jeweils mit zwei flächig ausgeführten Wärmeableitungselementen 16 (in den Figuren mit einer wabenförmigen Schraffur versehen) an weiteren Seitenflächen des Piezo-Stapels 10 thermisch leitfähig verbunden, wobei in den Figuren 1A und 1 B nur ein Wärmeableitungselement 16 zu erkennen ist, während das andere Wärmeableitungselement diesem gegenüberliegend angeordnet und identischer Weise ausgeführt ist. Es ist denkbar, nur an einer der Seitenflächen des Piezo-Stapels, an denen keine Anschlusselektroden vorgesehen ist, ein Wärmeableitungselement vorzusehen und die

Wärmeableitungsschichten 13 so auszuführen bzw. anzuordnen, dass sie thermisch leitfähig mit diesem einzigen Wärmeableitungselement verbunden sind.

[0027] Obwohl in den Figuren 1A und 1 B als glattes und massives Element

dargestellt, kann das Wärmeableitungselement 16 auch in Form eines Schaums oder eines Geflechts vorliegen bzw. eine strukturierte

Oberfläche aufweisen, um über die entsprechend vergrößerte Oberfläche eine weiter optimierte Wärmeübertragung von dem

Wärmeableitungselement an die Umgebung zu erreichen.

[0028] Die jeweils letzte Zwischenschicht zwischen den beiden endständigen Piezokeramikschichten 11 ist eine Wärmeableitungsschicht 13, so dass insgesamt die Anzahl der Wärmeableitungsschichten in der gezeigten Ausführung größer als die Gesamtzahl der Ansteuerelektrodenschichten ist.

[0029] Das erwähnte Prinzip des Anschlusses der Ansteuerelektrodenschichten 12a, 12b und der Wärmeableitungsschichten 13 und deren geometrische Konfiguration sind in Fig. 2 anhand einer Explosionsdarstellung bezüglich des Stapels 10 gemäß den Figuren 1A und 1 B genauer erläutert, wobei Fig. 2 nur einen Teil der Vielzahl von Lagen bzw. Schichten des Piezo- Stapels gemäß Fig. 1A und 1 B zeigt. Zudem sei erwähnt, dass sich die Ausrichtung der Schichten in Fig. 2 gegenüber derjenigen von Fig. 1A und 1 B unterscheidet und um 90° gedreht zu dieser ausgebildet ist.

[0030] Die neben die Explosionsdarstellung gestellte vertikale Leiste mit Pfeilen verdeutlicht die Polarisierungsrichtung P der jeweiligen Piezo- keramikschicht 11. An einzelnen der Piezokeramikschichten 11 sind die Ansteuerelektrodenschichten 12a angeordnet (mit einer geraden und parallelen Schraffur versehen), die zur elektrischen Verbindung mit der in Figur 2 nicht gezeigten ersten Anschlusselektrode 14 vorgesehen sind.

Die Ansteuerelektrodenschichten 12a sind jeweils derart geformt, dass sie nur bis zu einer Seitenfläche bzw. einer Außenkante der zugehörigen Piezokeramikschicht 11 reichen, während sie von den übrigen

Seitenflächen bzw. Außenkanten dieser Piezokeramikschicht beabstandet sind. An der entsprechenden Seitenfläche des Stapels, bis zu der die Ansteuerelektrodenschichten 12a reichen, ist die erste Anschlusselektrode 14 einer ersten Polarität vorgesehen.

[0031] An anderen Piezokeramikschichten 11 sind die Ansteuerelektroden

schichten 12b angeordnet (mit einer gekreuzten Schraffur versehen), die zur elektrischen Verbindung mit einer zweiten und in Fig. 2 ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselektrode vorgesehen sind. Die

Ansteuerelektrodenschichten 12b sind in Analogie zu den

Ansteuerelektrodenschichten 12a jeweils derart geformt, dass sie nur bis zu einer (aber einer anderen) Seitenfläche bzw. Außenkante der zugehörigen Piezokeramikschicht 11 reichen, während sie von den übrigen Seitenflächen bzw. Außenkanten dieser Piezokeramikschicht beabstandet sind. An der entsprechenden Seitenfläche des Stapels, bis zu der die Ansteuerelektrodenschichten 12b reichen, ist eine zweite

Anschlusselektrode einer zweiten Polarität vorgesehen. Es versteht sich und es ist Figur 2 auch eindeutig entnehmbar, dass sich die Seitenflächen der Piezokeramikschichten 11 bzw. des Stapels 10, bis zu denen die Ansteuerelektrodenschichten 12a und 12b reichen, voneinander unterscheiden und gegenüberliegend angeordnet sind

[0032] Jeweils zwischen zwei benachbarten Piezokeramikschichten 11 mit daran angeordneten unterschiedlichen Anschlusselektroden 12a und 12b ist an der dazwischenliegenden Piezokeramikschicht 11 eine

Wärmeableitungsschicht 13 (mit einer wabenförmigen Schraffur versehen) angeordnet, die zur thermischen Verbindung mit zwei, in Figur 2 nicht dargestellten Wärmeableitungselementen vorgesehen sind, aber keinen Kontakt mit den seitlichen Anschlusselektroden haben. Dazu sind die Wärmeableitungsschichten 13 derart geformt, dass sie an bis zu zwei gegenüberliegende Seitenflächen bzw. Außenkanten der jeweiligen Piezokeramikschicht 11 reichen (an welchen die

Wärmeableitungselemente vorgesehen sind), während sie von den beiden anderen, ebenfalls gegenüberliegenden Seitenflächen bzw. Außenkanten beabstandet sind (an welchen die Anschlusselektroden vorgesehen sind).

[0033] Es ist denkbar, die Wärmeableitungselemente ebenfalls an den

Seitenflächen anzuordnen, an welchen die Anschlusselektroden gelegen sind. Da die Wärmeableitungselemente elektrisch isolierend wirken, stellt es generell kein Problem dar, wenn diese (zusätzlich) an die

Ansteuerelektrodenschichten heranreichen bzw. mit diesen Kontakt haben, da hierüber ein Kurzschluss der Ansteuerelektrodenschichten vermieden ist. Insofern kann die Formgebung der

Ansteuerelektrodenschichten wie der Wärmeableitungsschichten in den Figs. 1A, 1 B und 2 abweichen, so dass dieses Schichten auch an zusätzliche Seitenflächen heranreichen. Durch einen zusätzlichen Kontakt des/der Wärmeableitungselements/Wärmeableitungselemente zu den Ansteuerelektrodenschichten gelingt eine nochmals verbesserte bzw. optimierte Wärmeableitung aus dem Inneren des Aktuators an die

Umgebung.

[0034] Die Figuren 3A und 3B zeigen als weitere Ausführung der Erfindung zwei verschiedene perspektivische Ansichten desselben Aktuators 2 mit einem Stapel 20 aus einer Vielzahl gestapelter Piezokeramikschichten 21 , zwischen denen jeweils kombinierte Ansteuerelektroden- /Wärmeableitungsschichten 22a bzw. 22b angeordnet sind. Die Figuren 3A und 3B entsprechen in ihrer Darstellungsweise den Figuren 1A und 1 B, und auch die Konfiguration des Piezo-Stapels 20 ist grundsätzlich die gleiche wie diejenige des Piezo-Stapels 10. Anders als bei der Ausführung nach Fig. 1A und Fig. 1 B gibt es hier jedoch keine reinen

Wärmeableitungsschichten zwischen benachbarten

Piezokeramikschichten 21 , sondern sämtliche Schichtzwischenräume werden zur aktiven Ansteuerung des Piezoaktuators und gleichzeitig zur Wärmeableitung aus dem Inneren des Piezo-Stapels genutzt. Zudem handelt es sich bei dieser Ausführungsform um einen Stapel, bei dem die einzelnen Schichten durch Klebung miteinander verbunden sind.

[0035] Auf eine als Ansteuerelektrodenschicht dienende elektrisch leitfähige

Schicht, beispielsweise auf Silber-Palladium- oder Kupfer-Basis oder aber aus einer Nickel- oder Tantallegierung oder aus Stahl, sind

Wärmeableitungsschichten auf Kohlenstoff-Basis, insbesondere als sehr dünne Graphen-Schichten, aufgebracht, wobei auch denkbar ist, dass an der jeweiligen Ansteuerelektrodenschicht nur auf einer Seite eine

Wärmeableitungsschicht angeordnet ist.

[0036] Neben dem hier primär erwünschten Effekt einer Kombination von

elektrischer Ansteuerung und Wärmeableitung innerhalb eines einzigen Piezokeramik-Zwischenraumes wird auch die bei etwaiger Verwendung silberhaltiger Ansteuerelektrodenschichten unter Umständen auftretende sogenannte„Silber-Migration“, d.h. die Migration von Silber-Ionen in das benachbarte elektromechanische Material, durch die zusätzliche

Wärmeableitungsschicht unterbunden bzw. stark eingeschränkt.

[0037] Bei gesinterten Stapelaktuatoren kann durch die Verwendung der

Wärmeableitungsschichten zudem eine Oxidation der elektrisch leitfähigen Schicht während des zur Fierstellung des Piezo-Stapels gehörenden Sinterschrittes verhindert werden.

[0038] Ähnlich wie bei der Ausführung nach Fig. 1A und Fig. 1 B sind auch hier langgestreckte rechteckige und flächige Anschlusselektroden 24, 25 unterschiedlicher Polarität an gegenüberliegenden Seitenwänden des Piezo-Stapels 20 angeordnet. In Abwandlung zu der Ausführung gemäß Fig. 1A und 1 B sind die hier wiederum flächig ausgeführten Wärmeableitungselemente 26 jedoch an den gleichen Seitenflächen des Stapels angeordnet, an denen auch die Anschlusselektroden 24 und 25 angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Anschlusselektroden 24, 25 auch hier jeweils elektrisch (alternierend) mit einem Ende der Ansteuer elektrodenschichten 22a bzw. 22b verbunden sind, während die Wärme ableitungselemente 26 wärmeleitend mit den entsprechenden, als Wärme ableitungsschichten wirkenden Deckschichten der

Ansteuerelektrodenschichten verbunden sind. Die

Wärmeableitungselemente 26 wirken hierbei elektrisch isolierend. Es ist jedoch ebenso denkbar, Wärmeableitungselemente aus einem elektrisch leitenden Material zu verwenden, wobei es auch möglich ist, die

Ansteuerelektrodenschichten der kombinierten Ansteuerelektroden- /Wärmeableitungsschichten so zu gestalten, dass diese im Bereich der Wärmeableitungselemente nicht bis an die entsprechende Seitenfläche heranreichen, so dass die Wärmeableitungselemente die

Ansteuerelektrodenschichten nicht kontaktieren.

[0039] Fig. 4 zeigt in analoger Weise zu Fig. 2 betreffend die erste Ausführung, wie zur Erreichung dieses Ziels die kombinierten Ansteuerelektroden- /Wärmeableitungsschichten 22a, 22b jeweils unterschiedlich konfiguriert sind. Da bei dieser Ausführung sämtliche Anschlusselektroden 24, 25 und Wärmeableitungselemente 26 an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Stapels zusammengefasst sind, unterscheiden sich die beiden Schichttypen 22a, 22b nur durch ihre (auf die Figur bezogen) Links- bzw. Rechtsbündigkeit bezüglich der unterliegenden Piezokeramikschicht.

[0040] In Fig. 5 ist der Aufbau der kombinierten Ansteuerelektroden-

/Wärmeableitungsschichten 22a und 22b gemäß Fig. 4 deutlicher dargestellt. Jede der kombinierten Ansteuerelektroden- /Wärmeableitungsschichten 22a und 22b umfasst eine jeweilige

Ansteuerelektrodenschicht 222a bzw. 222b, die beidseits vollflächig mit einer Wärmeableitungsschicht 23 bedeckt ist. Während die kombinierten Ansteuerelektroden-/Wärmeableitungsschichten 22b bis an die in Fig. 4 bzw. Fig. 5 linke Seitenfläche bzw. linke Außenkante der jeweiligen Piezokeramikschicht 21 reichen und mit dieser bündig abschließen, sind die kombinierten Ansteuerelektroden-/Wärmeableitungsschichten 22b von allen drei übrigen Seitenflächen bzw. Außenkanten der jeweiligen

Piezokeramikschicht 21 beabstandet. Somit ist an den in Fig. 4 bzw. Fig. 5 linken Seitenflächen der Piezokeramikschichten 21 bzw. an der

entsprechenden Seitenfläche des Stapels 20 sowohl ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen der dort angeordneten Anschlusselektrode 25 und der Ansteuerelektrodenschicht 222b, als auch ein thermisch leitfähiger Kontakt zwischen dem Wärmeableitungselement 26 und den beiden Wärmeableitungsschichten 23 ermöglicht.

[0041] Das Vorstehende gilt in analoger Weise für die kombinierten

Ansteuerelektroden-/Wärmeableitungsschichten 22a, welche bis an die in Fig. 4 bzw. Fig. 5 rechte Seitenfläche bzw. rechte Außenkante der jeweiligen Piezokeramikschicht 21 reichen und mit dieser bündig abschließen und von den drei übrigen Seitenflächen jeweils beabstandet sind, so dass an den in Fig. 4 bzw. Fig. 5 rechten Seitenflächen der Piezokeramikschichten 21 bzw. an der entsprechenden Seitenfläche des Stapels 20 sowohl ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen der dort angeordneten Anschlusselektrode 24 und der Ansteuerelektrodenschicht 222a, als auch ein thermisch leitfähiger Kontakt zwischen dem

Wärmeableitungselement 26 und den beiden Wärmeableitungsschichten 23 ermöglicht ist.

[0042] Fig. 5 zeigt weiterhin im Detail die Schichtabfolge von zwei benachbarten Piezokeramikschichten 21 mit daran angeordneten kombinierten

Ansteuerelektroden-/Wärmeableitungsschichten 22a und 22b gemäß Fig.

4. Deutlich sind hierbei die jeweils ober- und unterhalb der jeweiligen Ansteuerelektrodenschicht 222a bzw. 222b angeordneten

Wärmeableitungsschichten 23 zu erkennen, welche die

Ansteuerelektrodenschichten 222a und 222b beidseitig vollständig bedecken.

[0043] Die Figuren 6A und 6B zeigen in zwei unterschiedlichen perspektivischen Ansichten eine gegenüber den Fig. 3A und 3B abgewandelte

Ausführungsform, bei der die Wärmeableitungselemente 26 jeweils an zwei aneinanderstoßende Seitenflächen des Stapels 20 angeordnet sind und in einem senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Stapels 20 verlaufenden Querschnitt eine L-Form aufweisen, so dass sie um die jeweilige Längskante des Piezo-Stapels 30 herumgeführt sind. Auf diese Weise ergeben die Wärmeableitungselemente 26 größere

Wärmeableitungsflächen, mit welchen eine nochmals optimierte

Wärmeableitung aus dem Inneren des Stapels 20 möglich ist. Es versteht sich, dass die kombinierten Ansteuerelektroden-/Wärmeableitungsflächen 22a und 22b hierbei so geformt sind, dass ein thermisch leitfähiger Kontakt entlang des gesamten Wärmeableitungselements 26 realisiert ist. Hierzu reichen die kombinierten Ansteuerelektroden- /Wärmeableitungsschichten 22a und 22b entlang der Stapelrichtung der Piezokeramikschichten 21 in alternierender Weise sowohl bis an die Seitenflächen des Stapels 20, an denen die Anschlusselektroden 24 und

25 unterschiedlicher Polarität angeordnet sind (derart, wie insbesondere Fig. 4 zu entnehmen), als auch an die beiden Seitenflächen des Stapels, an welchen jeweils der großflächigere Teil der Wärmeableitungselemente

26 angeordnet ist.

Claims

Ansprüche

Anspruch 1. Aktuator (1 , 2) in Form eines Prismas (10, 20) mit einer runden oder vieleckigen Grundfläche, der in einer Längserstreckungsrichtung gestapelte Schichten elektromechanischen Materials (11 , 21) sowie zwischen den

Schichten elektromechanischen Materials (11 , 21) angeordnete

Ansteuerelektrodenschichten (12a, 12b, 222a, 222b), die alternierend mit an der Mantelfläche des Aktuators angeordneten Anschlusselektroden (14, 15,

24, 25) elektrisch verbunden sind, und thermisch leitende, aber elektrisch nicht angeschlossene Wärmeableitungsschichten (13, 23) umfasst, wobei jeweils zwischen zwei bezüglich der Stapelrichtung benachbarten

Ansteuerelektrodenschichten, die mit unterschiedlichen Anschlusselektroden verbunden sind, wenigstens eine Wärmeableitungsschicht (13, 23) angeordnet ist, und an mindestens einer Seitenwand des Stapels ein elektrisch isolierend wirkendes Wärmeableitungselement (16, 26) vorgesehen ist, mit welchem die Wärmeableitungsschichten (13, 23) thermisch leitend verbunden sind.

Anspruch 2. Aktuator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das

Verhältnis der Dicke einer Schicht elektromechanischen Materials (11 , 21) zu der Dicke einer Wärmeableitungsschicht (13, 23) zwischen 10 und 100 beträgt.

Anspruch 3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer Wärmeableitungsschicht (13, 23) zwischen 1 und 10pm beträgt.

Anspruch 4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Wärmeableitungsschichten (13, 23) und/oder das Wärmeableitungselement (16, 26) Kohlenstoff, insbesondere als Kohlenstoff- Nanotubes oder als Graphen, aufweisen bzw. aufweist.

Anspruch 5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass jeweils an der letzten endständigen Schicht

elektromechanischen Materials (11 , 21) des Stapels (10, 20) eine

Wärmeableitungsschicht (13, 23) anliegt.

Anspruch 6. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass das Wärmeableitungselement (16, 26) hexagonales Bornitrid, Aluminiumnitrid oder ein mit thermisch leitfähigen Partikeln gefülltes Polymer umfasst und vorzugsweise daraus besteht. Anspruch 7. Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder jedes Wärmeableitungselement (16, 26) an der gleichen Seitenwand des Stapels (10, 20) wie eine Anschlusselektrode (14,

15, 24, 25) angeordnet ist.

Anspruch 8. Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein

Wärmeableitungselement (16, 26) im Querschnitt L-förmig ist und an zwei aneinander angrenzenden Seitenflächen des Stapels (10, 20) angeordnet ist.

Anspruch 9. Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens eine Wärmeableitungsschicht (13, 23) mit einer Ansteuerelektrodenschicht (12a, 12b, 222a, 222b) kombiniert ist und dadurch eine kombinierte Ansteuerelektroden-/Wärmeableitungsschicht (22a, 22b) bildet.