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Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem Piezoelement, das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist, mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements und mindestens einem Mittel zum Temperieren des Piezoelements. Die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschichten des Piezoelements sind derart miteinander verbunden, dass durch eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in die piezoelektrische Schicht eingekoppelt wird. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht und damit zur Auslenkung des Piezoelements. Neben dem Bauteil wird eine Verwendung des Bauteils angegeben.
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Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor. Der piezoelektrische Aktor besteht beispielsweise aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen. Ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise geht beispielsweise aus der
US 6 236 146 B1 hervor. Bei dem Piezoaktor ist eine Vielzahl von Elektrodenschichten, die als Innenelektroden bezeichnet werden, und piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam zu dem monolithischen Aktorkörper gesintert. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind benachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. An diesen Oberflächenabschnitten weist der Aktorkörper jeweils eine streifenförmige Metallisierung auf.
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Der bekannte Piezoaktor wird beispielsweise zur Ansteuerung eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Die durch die elektrische Ansteuerung eingespeiste Energie geht teilweise als Wärme (Verlustwärme) verloren. Bei einer im Hinblick auf die Anwendung üblichen, hohen Repitionsrate der Ansteuerung des Piezoaktors kann es zu einer unerwünschten Erwärmung des Aktorkörpers kommen. Beispielsweise wird der Aktorkörper über die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Materials der piezoelektrischen Schichten erwärmt. Es käme zu einer Depolarisation des piezoelektrischen Materials und in Folge davon zum Ausfall des Piezoaktors.
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In der Veröffentlichung AJAYAN, Pulickel M.; ZHOU, Otto Z.: Applications of Carbon Nanotubes. In: Topics Appl. Phys. 80, 2001, S. 391–425 werden Kohlenstoff-Fasern in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes) vorgestellt. Derartige Kohlenstoff-Fasern haben einen Röhrendurchmesser im Nanometerbereich. Die Kohlenstoff-Nanoröhren zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Elastizität und damit Flexibilität aus.
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DE 198 56 185 A1 beschreibt einen piezoelektrischen Aktor, dessen Arbeitswärme über eine die Wärme abführende Schicht aus einem Elastomer mit darin untergebrachten elektrisch leitfähigen Partikeln abgeleitet wird.
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In
EP 0 375 851 A2 ist ein Transformator beschrieben, der in einer elektrisch isolierenden Schicht eingekapselt ist, wobei um die elektrisch isolierende Schicht eine Schicht aus einem thermisch leitfähigen Material mit darin eingebetteten Kohlenstoff-Fasern angeordnet ist.
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US 4 861 653 A beschreibt die Herstellung von Kohlenstoff-Fasern sowie deren thermische und elektrische Leitfähigkeit.
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DE 198 56 186 A1 beschreibt einen piezoelektrischen Aktor, dessen Arbeitswärme über eine die Wärme abführende Schicht aus einem Elastomer mit darin untergebrachten elektrisch leitfähigen Partikeln sowie eine metallische Modulwand abgeleitet wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Piezoaktor bereitzustellen, bei dem die Wahrscheinlichkeit der Erwärmung über die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Materials im Vergleich zum bekannten Stand der Technik reduziert ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem Piezoelement, das mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist, mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements und mindestens einem Mittel zum Temperieren des Piezoelements angegeben. Das Mittel zum Temperieren des Piezoelements weist Kohlenstoff-Fasern auf, wobei das Mittel und die Kohlenstoff-Fasern von den Elektrodenschichten und den Anschlusselementen mit Hilfe einer elektrisch isolierenden Schicht, die einen thermisch leitenden Verbundwerkstoff mit einem elastomeren Polymer aufweist, elektrisch isoliert sind.
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Das Mittel zum Temperieren sorgt für eine gute thermische Anbindung des Piezoelements an eine Umgebung. Dadurch kann eine notwendige Betriebstemperatur des Aktorkörpers eingestellt werden. Insbesondere kann dabei überschüssige Wärme vom Piezoelement effizient abgeleitet werden. Das Piezoelement wird gekühlt. Zum effizienten Temperieren werden Kohlenstoff-Fasern eingesetzt. Die Kohlenstoff-Fasern sind beispielsweise Fasern aus Graphit.
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In einer besonderen Ausgestaltung weisen die Kohlenstoff-Fasern Kohlenstoff-Nanoröhren auf. Die Kohlenstoff-Nanoröhren weisen einen Röhrendurchmesser auf, der von wenigen nm bis hin zu 100 nm reicht. Eine Röhrenlänge der Kohlenstoff-Nanoröhren kann bis hin zu mehreren mm betragen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren liegen als einwandige Nanoröhren (Single Walled Nanotubes, SWNTs) oder mehrwandige Nanoröhren (Multi Walled Nanaotubes, MWNTs) vor.
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Die Kohlenstoff-Fasern und insbesondere die Kohlenstoff-Nanoröhren zeichnen sich durch eine sehr gute thermische Leitfähigkeit aus. Da Kohlenstoff-Fasern bzw. die Kohlenstoff-Nanoröhren auch über eine hohe elektrische Leitfähigkeit verfügen, werden sie von den elektrische leitenden Elementen des piezoelektrischen Bauteils, also den Elektrodenschichten und den elektrischen Anschlusselementen, elektrisch isoliert. Dies gelingt mit einer dünnen elektrischen Isolationsschicht, die zwischen den Kohlenstoff-Fasern des Mittels zum Temperieren des Piezoelements und den elektrisch leitenden Elementen des piezoelektrischen Bauteils angeordnet werden. Es bietet sich dazu eine elektrische Isolationsschicht an, die über eine gute thermische Leitfähigkeit verfügt. Eine solche Isolationsschicht ist beispielsweise von einem Polymer gebildet, in das keramische Partikel mit einer relativ guten thermischen Leitfähigkeit eingearbeitet sind. Derartige keramische Partikel bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3). Denkbar ist insbesondere thermisch leitender, aber elektrisch isolierender Leitklebstoff. Das Mittel zum Temperieren mit den Kohlenstoff-Fasern ist an das Piezoelement geklebt.
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Das Mittel zum Temperieren ist mit dem Piezoelement derart verbunden, dass eine thermische Kopplung zwischen dem Piezoelement und diesem Mittel im gesamten Betrieb des piezoelektrischen Bauteils gegeben ist. Dies bedeutet, dass die thermische Kopplung auch bei Auslenkung des Piezoelements gewährleistet ist. Die thermische Kopplung resultiert vorzugsweise durch Wärmeleitung zwischen dem Piezoelement und den Kohlenstoff-Fasern. Beispielsweise sind dazu beide Bestandteile des piezoelektrischen Bauteils mit Hilfe eines thermisch leitfähigen, elastischen Klebstoffs fest miteinander verbunden.
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Im Betrieb des piezoelektrischen Bauteils kommt es durch die Auslenkung des Piezoelements zu mechanischen Spannungen im Übergangsbereich Piezoelement-Leitklebstoff-Mittel zum Temperieren des Piezoelements. Die Kohlenstoff-Fasern und insbesondere die Kohlenstoff-Nanoröhren sind bezüglich dieses Aspekts besonders vorteilhaft, da sie neben der sehr hohen thermischen Leitfähigkeit auch eine sehr hohe Elastizität aufweisen. Aufgrund der hohen Elastizität sind die Kohlenstoff-Nanoröhren in der Lage, der Auslenkung des Aktorkörpers zu folgen. Eventuell durch die Auslenkung hervorgerufene mechanische Spannungen werden wirkungsvoll abgebaut. Es bleibt eine sehr gute thermische Kopplung zwischen dem Piezoelement und den Kohlenstoff-Nanoröhren erhalten.
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Die Kohlenstoff-Fasern können vereinzelt vorliegen. Denkbar ist auch, dass die Kohlenstoff-Fasern zu mindestens einem Faserbündel miteinander verbunden sind. Das Faserbündel besteht aus mehreren, einzelnen Kohlenstoff-Fasern. Die Kohlenstoff-Fasern sind dabei im Wesentlichen entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung ausgerichtet und mit Hilfe eines Verbindungsmittels miteinander verbunden. Das Verbindungsmittel ist beispielsweise eine Umwicklung oder eine Umhüllung der Kohlenstoff-Fasern.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Kohlenstoff-Fasern zu einem Fasergewebe miteinander verbunden. Die Kohlenstoff-Fasern bzw. Faserbündel aus den Kohlenstoff-Fasern sind miteinander verwoben oder verflechtet. Beispielsweise ist das Fasergewebe ein Vlies aus Kohlenstoff-Fasern. Das Fasergewebe zeichnet sich, wie die Kohlenstoff-Fasern und insbesondere die Kohlenstoff-Nanoröhren selbst, durch eine hohe Elastizität bzw. Flexibilität aus. Da sich die Kohlenstoff-Fasern in dem Fasergewebe gegenseitig berühren, ist die thermische Leitfähigkeit über das Fasergewebe hinweg gewährleistet.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das Mittel zum Temperieren des piezoelektrischen Bauteils ein Verbundmaterial auf, das zusammen mit den Kohlenstoff-Fasern einen Verbundwerkstoff bildet. Das Verbundmaterial fungiert als Matrix, in die die Kohlenstoff-Fasern eingebettet sind.
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Im Fall von Kohlenstoff-Nanoröhren kann das Verbundmaterial auch in den Hohlräumen der Kohlenstoff-Nanoröhren eingelagert sein. Auf diese Weise lassen sich die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren und damit die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften des Verbundwerkstoff beeinflussen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren eignen sich besonders zur Anwendung in einem Verbundwerkstoff, da sie relativ einfach modifiziert werden können. An den Außenwänden der Kohlenstoff-Nanoröhren können funktionelle Gruppen, beispielsweise hydrophile oder hydrophobe Gruppen, gebunden werden. Dadurch kann eine Mischbarkeit und/oder eine Stärke des Verbundes aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Verbundmaterial beeinflusst werden.
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Das Verbundmaterial ist vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material. Das elektrisch isolierende Material ist beispielsweise ein elektrisch isolierender Kunststoff. Dieser Kunststoff bildet eine polymere Matrix, in die die Kohlenstoff-Fasern eingebettet sind. Der Verbundwerkstoff besteht aus dem Kunststoff und den Kohlenstoff-Fasern. Um eine thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs zu gewährleisten, ist ein entsprechend hoher Füllgrad der Kohlenstoff-Fasern im Kunststoff nötig. Der Füllgrad der Kohlenstoff-Fasern ist so hoch gewählt, dass eine sogenannte Perkolationsgrenze erreicht oder überschritten ist. Bei der Perkolationsgrenze berühren sich die Kohlenstoff-Fasern gegenseitig. Dadurch ist die thermische Leitfähigkeit von Kohlenstoff-Faser zu Kohlenstoff-Faser und damit über den gesamten Verbundwerkstoff hinweg gewährleistet.
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Der Kunststoff kann ein beliebiger thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff sein. Im Hinblick auf die Verwendung des Verbundwerkstoffs zur Temperierung des Piezoelements des piezoelektrischen Bauteils ist der Kunststoff vorzugsweise ein elastomerer Kunststoff. Der elastomere Kunststoff, beispielsweise ein Silikon-Elastomer, zeichnet sich durch eine hohe Elastizität bzw. Flexibilität aus. Durch das Einbetten der Kohlenstoff-Fasern in einen elastomeren Kunststoff bleibt die Flexibilität des Kunststoffs im Wesentlichen erhalten. Gleichzeitig wird aber eine effiziente Temperierung des Piezoelements erzielt.
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Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Mittel zum Temperieren eine thermisch mit dem Piezoelement gekoppelte, die Kohlenstoff-Fasern aufweisende Umhüllung des Piezoelements. Die Umhüllung mit den Kohlenstoff-Fasern kann das Piezoelement teilweise oder vollständig umgeben. Insbesondere ist dadurch eine großflächige und damit effiziente thermische Ankopplung möglich.
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Vorzugsweise sind neben dem Piezoelement auch die elektrischen Anschlusselemente des piezoelektrischen Bauteils in der Umhüllung angeordnet. Dies führt zu einem sehr kompakten Aufbau des piezoelektrischen Bauteils. Eine Art der elektrischen Anschlusselemente und deren elektrische Kontaktierung mit den Elektrodenschichten des Piezoelements sind beliebig.
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Zur elektrischen Kontaktierung erstreckt sich beispielsweise mindestens eine der Elektrodenschichten des Piezoelements an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements. Dort ist die Elektrodenschicht mit mindestens einem elektrischen Anschlusselement elektrisch leitend verbunden. Das Piezoelement weist beispielsweise eine quadratische oder rechteckige Grundfläche auf. Der seitliche Oberflächenabschnitt kann sich an einer Ecke des Piezoelements befinden. Dieser Oberflächenabschnitt kann sich auch entlang einer gesamten seitlichen Ausdehnung des Piezoelements erstrecken. Denkbar ist auch, dass der Oberflächenabschnitt von nahezu einer gesamten Seite des Piezoelements gebildet ist.
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Bewährt haben sich beispielsweise Anschlusselemente in Form eines Drahtgeflecht aus Metalldrähten oder in Form einer Vielzahl von einzelnen Metalldrähten. Das Drahtgeflecht oder die Metalldrähte sind an den seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements gelötet. Derartige Anschlusselemente zeichnen sich durch eine sehr hohen Flexibilität aus. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstoff-Fasern und insbesondere von Kohlenstoff-Nanoröhren kann das elektrische Anschlusselement auch aus diesen Materialien aufgebaut sein.
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Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler. Der Biegewandler ist beispielsweise ein sogenannter Bimorph-Biegewandler mit piezoelektrisch aktiven und piezoelektrisch inaktiven Schichten. Der Biegewandler kann dabei aus mehreren Piezoelementen aufgebaut sein. Die piezoelektrischen Schichten können aus piezoelektrischem Kunststoff, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), oder piezoelektrischer Keramik, beispielsweise Bleizirkonattitanat (Pb(Ti, Zr)O3, PZT), bestehen.
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In einer besonderen Ausgestaltung ist das piezoelektrische Bauteil ein Vielschichtaktor, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen zu einem stapelförmigen Aktorkörper mit einer Stapelrichtung angeordnet sind. Der Aktorkörper kann aus miteinander verklebten Piezoelementen bestehen. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten der Piezoelemente beispielsweise aus einem piezoelektrischen Kunststoff. Vorzugsweise ist der Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise hergestellt. Dabei bestehen die piezoelektrischen Schichten aus einer Piezokeramik. Die Piezokeramik ist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat. Ein Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ist beispielsweise eine Silber-Palladium-Legierung. Zum Herstellen dieses Aktorkörpers werden keramische Grünfolien mit der Piezokeramik und Elektrodenschichten aus dem elektrisch leitenden Material abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Denkbar ist auch das Stapeln von mit Elektrodenmaterial flächig bedruckten keramischen Grünfolien.
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Die Piezoelemente des Vielschichtaktors sind beispielsweise derart zu dem stapelförmigen Aktor angeordnet, dass benachbarte Piezoelemente eine gemeinsame Elektrodenschicht aufweisen, die Elektrodenschichten der Piezoelemente in Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt sind und mindestens einer der Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers mit einem der elektrischen Anschlusselemente elektrisch leitend verbunden ist.
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Eine besonders hohe Flexibilität des Mittels zum Temperieren bei gleichzeitig effizienter thermischer Kopplung wird dadurch erreicht, dass zumindest ein Teil der Kohlenstoff-Fasern quer zur Stapelrichtung des oben beschriebenen Aktorkörpers ausgerichtet ist. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass Abweichungen von der Querausrichtung um bis zu 45° möglich und zulässig sind. Zum Herstellen des Mittels zum Temperieren des Piezoelements mit den ausgerichteten Kohlenstoff-Fasern werden beispielsweise die Kohlenstoff-Fasern in einem noch nicht oder nur teilweise vernetzten Kunststoff mit entsprechend niedriger Viskosität ausgerichtet. Das Ausrichten der Kohlenstoff-Fasern in dem noch nicht vernetzten Kunststoff erfolgt beispielsweise mechanisch mit Hilfe eines Kamms. Nach dem Ausrichten wird der Kunststoff vernetzt. Es bildet sich eine Matrix aus dem Kunststoff, in die die Kohlenstoff-Fasern im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass bezüglich der Ausrichtung eine Verteilung um die gemeinsame Vorzugsrichtung vorliegt.
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Zur effizienten Temperierung des Piezoelements verfügt das piezoelektrische Bauteil über eine Wärmesenke, die mittelbar über das Mittel zum Temperieren thermisch mit dem Piezoelement des piezoelektrischen Bauteils gekoppelt ist. Die Wärmesenke sorgt im Betrieb des piezoelektrischen Bauteils für einen Temperaturgradienten, so dass Wärme vom Piezoelement über das Mittel zum Temperieren abgeleitet werden kann. Es kommt nicht zu einer unerwünschten Erwärmung des Piezoelements.
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Das piezoelektrische Bauteil, insbesondere das piezoelektrische Bauteil in Form des Piezoaktors mit monolithischem Aktorkörper wird zur Betätigung eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventil einer Brennkraftmaschine verwendet. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Motor eines Personenkraftwagens. Aufgrund der effizienten Kühlung des Aktorkörpers mit Hilfe der Kohlenstoff-Fasern ist es insbesondere auch möglich, bereits bekannte Piezoaktoren für Mehrfacheinspritzungen zu verwenden. Bei Mehrfacheinspritzungen werden die Piezoaktoren bzw. die Einspritzventile mehrfach aufeinander folgend angesteuert. Aufgrund der Verluste der Piezokeramik würde sich der Aktorkörper aufgrund der mehrfachen aufeinander folgenden Ansteuerung ohne effiziente Kühlung zu stark erwärmen.
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Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung vorliegende wesentlichen Vorteile:
- – Durch die sehr gute thermische Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Fasern und insbesondere der Kohlenstoff-Nanoröhren wird ein effizientes Mittel zum Temperieren bzw. zum Kühlen des Piezoelements des piezoelektrischen Bauteils bereitgestellt.
- – Die Kohlenstoff-Fasern führen zu einem flexiblen, dehnbaren Mittel zum Temperieren des Piezoelements.
- – Aufgrund der Flexibilität des Mittels können mechanische Spannungen, deren Ursache in der Auslenkung des Piezoelements oder der Piezoelemente des piezoelektrischen Bauteils zu finden sind, effizient abgebaut werden. Dies trifft insbesondere auf piezoelektrische Bauteile mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise zu.
- – Das piezoelektrische Bauteil zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit aus.
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Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
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1 zeigt eine Querschnitt eines Piezoaktors mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise, der in einer Umhüllung mit Kohlenstoff-Fasern angeordnet ist.
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2 zeigt den Piezoaktor aus 1 in einer perspektivischen Darstellung.
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3 zeigt den Piezoaktor aus 1 ohne Umhüllung von der Seite.
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4 zeigt ein Piezoelement des Piezoaktors aus 1 im seitlichen Querschnitt.
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5 zeigt einen Ausschnitt einer Kohlenstoff-Nanoröhre von der Seite.
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6 zeigt ein Fasergewebe aus Kohlenstoff-Nanoröhren.
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Das piezoelektrische Bauteil 1 ist ein Piezoaktor mit einem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise mit einer quadratischen Grundfläche (1). Bei diesem Aktorkörper 20 ist eine Vielzahl von Piezoelementen 10 entlang der Stapelrichtung 21 übereinander gestapelt und fest verbunden. Ein Piezoelement 10 besteht aus einer piezoelektrischen Schicht 13 aus einer Piezokeramik (4). Die Piezokeramik ist ein Bleizirkonattitanat. Die piezoelektrische Schicht 13 befindet sich zwischen einer Elektrodenschicht 11 und einer weiteren Elektrodenschicht 12 des Piezoelements 10. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten 11 und 12 ist eine Silber-Palladium-Legierung. Die Elektrodenschichten 11 und 12 sind derart an den Hauptflächen der piezoelektrischen Schicht 13 angeordnet, dass durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 11 und 12 ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Schicht 13 erzeugt wird, so dass es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 13 und damit zur Auslenkung des Piezoelements 10 kommt.
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Zur elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten 11 und 12 an zwei, elektrisch voneinander isolierte Oberflächenabschnitte 14 und 15 geführt. An diesen Stellen sind die beiden Elektrodenschichten 11 und 12 jeweils mit einem (in 4) nicht dargestellten elektrischen Anschlusselement verbunden. Durch die Führung der Elektroden 11 und 12 an unterschiedliche Oberflächenabschnitte 14 und 15 verfügt jedes Piezoelement 10 über einen piezoelektrisch aktiven Bereich 16 und mindestens zwei piezoelektrisch inaktive Bereiche 17.
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Dadurch, dass bei dem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise eine Vielzahl von Piezoelementen 10 übereinander gestapelt sind, kann ein relativ hoher, absoluter Hub entlang der Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 bei einer relativ niedrigen Ansteuerspannung erzielt werden.
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Benachbarte Piezoelemente 10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf, so dass im Aktorkörper 20 Elektrodenschichten 22, 23 und piezoelektrische Schichten 24 abwechselnd übereinander angeordnet sind.
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Die Elektrodenschichten 22 und 23 des Aktorkörpers 20 sind an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 25 und 26 geführt. Die Oberflächenabschnitte 25 und 26 befinden sich an den Ecken 201 und 203 des Aktorkörpers 20 (1 und 3). Zum Herstellen des Aktorkörpers 20 werden keramische Grünfolien mit quadratischen Grundflächen verwendet, die an jeweils einer Ecke frei von Elektrodenmaterial sind, entsprechend übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert.
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An den beiden Oberflächenabschnitten 25 und 26 ist jeweils eine streifenförmige Metallisierung 27 und 28 aufgetragen, so dass die Elektrodenschichten 23 und 24 abwechselnd elektrisch kontaktiert sind. An den Metallisierungen 27 und 28 ist jeweils ein elektrisches Anschlusselement 30 bzw. 31 vorhanden. Das elektrische Anschlusselement 30 und das weitere elektrische Anschlusselement 31 ist jeweils eine elektrische Kontaktfahne 35. Diese Kontaktfahnen sind zwischen starren elektrischen Anschlüssen in Form von Metallstiften 41 und 42 und der jeweiligen Metallisierung 27 und 28 angeordnet. Jede der Kontaktfahnen 35 ist über eine ihrer Kanten derart mit der entsprechenden Metallisierung 27 und 28 verbunden, dass ein vom Aktorkörper 20 abstehender Bereich 36 vorhanden ist.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel bestehen die Anschlusselement 30 und 31 bzw. die Kontaktfahnen 35 aus Metalldrähten, die über ein elektrisches Verbindungsmittel 29 in Form eines Lots an die jeweilige Metallisierung 37 und 28 und an den jeweiligen Metallstift 41 und 42 angelötet sind. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die elektrischen Anschlusselemente 30 und 31 bzw. die Kontaktfahnen Kohlenstoff-Nanoröhren auf. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren eignen sich diese Materialien nicht nur zur thermischen Kontaktierung des Aktorkörpers 20, sondern auch zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 22 und 23 des Aktorkörpers 20. Die Anschlusselemente 30 und 31 sind an die Metallisierungen 27 und 28 bzw. die Metallstifte 41 und 42 mit Hilfe eines Leitklebstoffs 29 angeklebt.
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Um im Betrieb des Piezoaktors 1 den Aktorkörper 20 zu kühlen ist ein Mittel zum Temperieren des Aktorkörpers 20 vorhanden.
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Das Mittel ist eine Umhüllung 50 des Aktorkörpers 20. Die Umhüllung 50 besteht aus einem Silikon-Elastomer, in dem Kohlenstoff-Fasern in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren 51 eingebettet sind. Der durchschnittliche Röhrendurchmesser 52 der Kohlenstoff-Nanoröhren 51 beträgt wenige nm (5). Eine Röhrenlänge der Kohlenstoff-Nanoröhren beträgt wenige mm. Der Füllgrad an Kohlenstoff-Nanoröhren ist dabei so hoch, dass eine Wärmeleitung vom Aktorkörper 20 nach außen hin gegeben ist.
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Der Aktorkörper 20, die elektrischen Anschlusselementen 30 und 31 und die Metallstifte 41 und 42 sind zusammen in der Umhüllung 50 mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 51 angeordnet. Dazu ist die Umhüllung 50 ein Hohlprofil mit Aussparungen für die Elemente 20, 30, 31, 41 und 42 des Piezoaktors 1. Die Elemente 20, 30, 31, 41 und 42 des Piezoaktors 1 sind von der Umhüllung 50 mit Hilfe einer elektrisch isolierenden Schicht 54 elektrisch isoliert. Die Schicht 54 weist einen thermisch leitenden Verbundwerkstoff mit einem elastomeren Polymer auf.
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In einer ersten Ausführungsform bezüglich der Umhüllung 50 sind die Kohlenstoff-Nanoröhren 51 in der Umhüllung 50 derart angeordnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren 51 nach dem Verbinden der Umhüllung 50 mit dem Aktorkörper 20 und den Anschlusselementen 35 und 36 bzw. den Anschlussstiften 41 und 42 im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung 21 des Aktorkörpers 20 ausgerichtet sind. In einer weiteren Ausgestaltung ist in der Umhüllung 50 ein Fasergewebe 53 aus Kohlenstoff-Nanoröhren 51 angeordnet (6).
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Zum Herstellen des Piezoaktors 1 wird der Aktorkörper 20 mit den angelöteten bzw. angeklebten elektrischen Anschlusselementen 30 und 31 und den Metallstiften 41 und 42 in ein vorgefertigtes Hohlprofil 50 gesteckt. Danach erfolgt eine Ausrichtung der Elemente des Piezoaktors im Hohlprofil 50. Des weiteren wird der durch das Ausrichten der Elemente des Piezoaktors erzeugte Zwischenraum zwischen den Elementen des Piezoaktors und dem Hohlprofil mit Hilfe eines Spritzgussverfahrens mit dem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verbundwerkstoff ausgespritzt. Schließlich erfolge ein Aushärten des Verbundwerkstoffs.
