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Dokumentenidentifikation DE202005006126U1 11.08.2005
Titel Piezo-Biegewandler und damit ausgestattetes Piezoventil
Anmelder FESTO AG & Co., 73734 Esslingen, DE
Vertreter Patentanwälte Magenbauer & Kollegen, 73730 Esslingen
DE-Aktenzeichen 202005006126
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 11.08.2005
Registration date 07.07.2005
Application date from patent application 08.04.2005
IPC-Hauptklasse H01L 41/09
IPC-Nebenklasse H01L 41/047   H01L 41/053   

Beschreibung[de]

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.

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).

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.

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.

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.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

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.

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.

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.

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 Elektrodenschicht durch ein Druckverfahren aufgebracht worden sein, beispielsweise durch Siebdruck. Als Elektrodenschicht ist zweckmäßigerweise eine Carbonschicht vorgesehen.

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.

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 Baueinheit entsteht. Man erhält dadurch eine dauerhafte und stabile Verbindung der Komponenten des Biegewandlerelementes.

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.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

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,

2 den Piezo-Biegewandler aus 1 im Längsschnitt gemäß Schnittlinie II-II,

3 den Piezo-Biegewandler aus 1 und 2 gemäß Schnittlinie III-III auf 2, und

4 und 5 Querschnitte entsprechend der Darstellung der 3 durch alternative Bauformen des Piezo-Biegewandlers mit abweichend gestalteten Tragkörpern.

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.

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.

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.

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.

Das Biegewandlerelement 4 besitzt einen monomorphen Aufbau uns ist derart ausgelegt, dass es ausgehend von seiner aus der Zeichnung ersichtlichen, im deaktivierten Zustand eingenommenen 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.

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.

Das Piezoventil 1 kann so ausgelegt werden, dass es bei deaktiviertem, in der Grundstellung befindlichem Biegewandlerelement 4 entweder eine Schließstellung oder eine Offenstellung einnimmt.

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.

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 200&mgr;m.

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 200&mgr;m liegen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Eines der Anschlusspads 26 erstreckt sich unter den Kontaktierungsabschnitt 25 der oberen Elektrodenschicht 23 und steht mit diesem in elektrisch leitender Verbindung. Die Verbindung kommt automatisch beim Auftragen der oberen Elektrodenschicht 23 zustande.

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.

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.

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.

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.

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 Verstärkungsfasern 35 der besseren Übersichtlichkeit wegen mit einem gewissen Abstand zueinander abgebildet.

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.

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.

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.

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.

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 Temperaturausdehnungskoeffizient 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.

Die Verstärkungsfasern 35 können auch ungeordnet in dem Tragkörper 15 verteilt sein.

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.

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.

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 Herstellung geht grundsätzlich aus der DE 199 20 576 C1 hervor und erweist sich als vorteilhaft auch zur Realisierung des erfindungsgemäßen Piezo-Biegewandlers.

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.

Die Verstärkungsfasern 35 können auch aus nachwachsenden, organischen Fasermaterialien bestehen.


Anspruch[de]
  1. Piezo-Biegewandler, mit einem streifen- oder plattenförmigen Biegewandlerelement (4), das einen lediglich einseitig mit einem piezoelektrischen Körper (17) belegten Tragkörper (15) sowie einen im wesentlichen das gleiche thermische Ausdehnungsverhalten wie der piezoelektrische Körper (17) aufweisenden Kompensationskörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (15) 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 (17) aufweist.
  2. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Körper (17) einen monolithischen Aufbau besitzt.
  3. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Körper (17) einen Multilayeraufbau besitzt.
  4. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (15) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht.
  5. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (15) ein faserverstärkter, ausgehärteter Kunstharzkörper ist.
  6. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper aus faserverstärktem, ausgehärtetem Epoxidharz besteht.
  7. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (35) innerhalb des Tragkörpers (15) unidirektional ausgerichtet sind.
  8. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (35) des Tragkörpers (15) zumindest teilweise Kohlenstofffasern (35a) sind.
  9. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (35) des Tragkörpers (15) zumindest teilweise Glasfasern (35b) sind.
  10. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (35) des Tragkörpers (15) zumindest teilweise Aramidfasern (35c) sind.
  11. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (15) mehrere unterschiedliche Arten von Verstärkungsfasern (35, 35a, 35b, 35c) aufweist.
  12. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (15) Verstärkungsfasern (35) mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten beinhaltet.
  13. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die über unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten verfügenden Verstärkungsfasern (35) zur gleichen Materialgattung gehören.
  14. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Verstärkungsfasern (35) in einer regelmäßig abwechselnden Verteilung in dem Tragkörper (15) angeordnet sind.
  15. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (35) geschichtet in zur Ausdehnungsebene (9) des Biegewandlerelementes (4) parallelen Faserschichten angeordnet sind.
  16. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer oder mehreren Faserschichten ausschließlich Verstärkungsfasern (35) mit gleichem Temperaturausdehnungskoeffizient angeordnet sind, wobei sich zweckmäßigerweise die Verstärkungsfasern (35) wenigstens zweier Faserschichten in ihrem Temperaturausdehnungskoeffizient voneinander unterscheiden.
  17. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer oder mehrerer Faserschichten, insbesondere regelmäßig abwechselnd, Verstärkungsfasern (35) mit unterschiedlichem Temperaturausdehnungskoeffizient angeordnet sind.
  18. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (15) ein aus mindestens einem Prepreg (36) hergestellter faserverstärkter Duroplastkörper ist.
  19. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (15) aus wenigstens zwei geschichtet aufeinander liegenden, unter Wärmeeinwirkung miteinander verbundenen Prepregs (36) besteht.
  20. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (15) zumindest in dem sich an den piezoelektrischen Körper (17) anschließenden Bereich mit Kohlenstofffasern (35a) verstärkt ist und zweckmäßigerweise gleichzeitig eine Elektrodenfunktion bezüglich des piezoelektrischen Körpers (17) übernimmt.
  21. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Tragkörper (15) und dem piezoelektrischen Körper (17) zusätzlich vorgesehene untere Elektrodenschicht (24).
  22. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch eine auf der dem Tragkörper (15) entgegengesetzten Oberseite des piezoelektrischen Körpers (17) angeordnete obere Elektrodenschicht (23).
  23. Piezo-Biegewandler nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht (23, 24) eine insbesondere durch Siebdruck aufgedruckte, elektrisch leitende Schicht ist, zweckmäßigerweise eine Carbonschicht.
  24. Piezo-Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Körper (17) lediglich eine Teilfläche des Tragkörpers (15) belegt, wobei anschließend an den piezoelektrischen Körper (17) ein piezoelektrisch nicht aktivierbarer Kunststoffkörper (18), insbesondere ein Kunstharzkörper, vorgesehen ist, der zweckmäßigerweise zur externen Fixierung des Biegewandlerelementes (4) und/oder zur elektrischen Kontaktierung des Biegewandlerelementes (4) vorgesehen ist.
  25. Piezo-Ventil mit mindestens einem Stellglied, das von einem Piezo-Biegewandler (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 24 gebildet ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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