[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines

elektromechanischen Elements und die Verwendung eines mit einem solchen Verfahren angesteuerten elektromechanischen Elements als Stellelement.

[0002] Aus der US 8,138,658 B2 ist ein Aktuator mit mehreren Lagen eines

piezoelektrisch-ferroelektrischen Materials bekannt, bei dem gezielt an einzelne Lagen ein definiertes elektrisches Feld anlegbar ist, um dort den nichtlinearen Effekt des ferroelektrischen Anteils durch Überführen von einem komplett unpolarisierten Domänenzustand in einen komplett polarisierten Domänenzustand oder umgekehrt, d.h. durch ein

Domänenumklappen, auszunutzen. Durch besagtes Domänenumklappen können diskontinuierliche Deformationsänderungen, d.h.

Deformationssprünge, in diesen Lagen erzielt werden, während die Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts in den übrigen Lagen des Aktuators zu einer linearen und kontinuierlichen Deformationsänderung führt. Insgesamt ergibt sich hierdurch ein Aktuator mit einem erweiterten Stellwegbereich. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die durch

Domänenumklappen generierten Deformationen des Aktuators auch ohne Anlegen einer äußeren Spannung bestehen bleiben.

[0003] Nachteilig an dem aus der US 8,138,658 B2 bekannten Aktuator ist das Generieren von Deformationssprüngen, so dass dieser Aktuator für sehr feine Stellbewegungen nicht bzw. nur mit sehr hohem

Ansteuerungsaufwand verwendbar ist.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur

Ansteuerung wenigstens eines Abschnitts eines elektromechanischen Elements, nämlich eines Änderungsabschnitts, bereitzustellen, welches dieses für sehr feine und definierte Stellbewegungen geeignet macht, wobei die durch Anlegen von elektrischen Feldern erzeugten

Deformationen des Änderungsabschnitts auch nach Wegnahme der entsprechenden elektrischen Felder bestehen bleiben. [0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.

[0006] Demgemäß wird ausgegangen von einem Verfahren zur Ansteuerung

wenigstens eines Abschnittes eines elektromechanischen Elements, wobei der entsprechende Abschnitt einen Änderungsabschnitt definiert. Es sei an dieser Stelle betont, dass der Änderungsabschnitt auch das komplette elektromechanische Element umfassen kann. Mit anderen Worten schließt die Erfindung ein, dass das komplette elektromechanische Element dem Änderungsabschnitt entspricht, und das komplette

elektromechanische Element nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert wird.

[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierbei folgende Schritte:

Bereitstellen eines elektromechanischen Elements, bei welchem

zumindest der Änderungsabschnitt wenigstens zwei voneinander beabstandeten Elektroden und einem zwischen den Elektroden

angeordneten polykristallinen und ferroelektrischen oder ferroelektrisch- piezoelektrischen Material mit einer Vielzahl von Domänen aufweist, wobei in einem Ausgangszustand zumindest ein Teil der Domänen voneinander abweichende Polarisationsrichtungen aufweist; Erzeugung eines

elektrischen Feldes zwischen den Elektroden des Änderungsabschnitts durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Form wenigstens eines Spannungspulses mit einer definierten Amplitude und einer definierten Dauer; Überführen eines Teils der Domänen mit voneinander

abweichenden Polarisationsrichtungen in einen Zustand gleicher

Polarisationsrichtung aufgrund des wenigstens einen Spannungspulses und dadurch Erzeugen einer definierten und ohne das Vorhandensein einer elektrischen Spannung verbleibenden Zunahme der Ausdehnung des Änderungsabschnitts des elektromechanischen Elements entlang einer Ausdehnungsrichtung V oder Überführen eines Teils der Domänen mit gleicher Polarisationsrichtung in einen Zustand mit voneinander abweichenden Polarisationsrichtungen aufgrund des wenigstens einen Spannungspulses und dadurch Erzeugen einer definierten und ohne das Vortiandensein einer elektrischen Spannung verbleibenden Abnahme der Ausdehnung des Änderungsabschnitts des elektromechanischen

Elements entlang der Ausdehnungsrichtung V.

[0008] Der im Vorstehenden verwendete Begriff .elektromechanisches Element' bezieht sich hierbei im allgemeinsten Sinne auf ein Element, bei dem aufgrund des Einwirkens einer elektrischen Spannung bzw. dem Einwirken eines elektrischen Feldes eine mechanische Reaktion, etwa eine

Ausdehnungsänderung, die ihrerseits beispielsweise für eine

Stellbewegung nutzbar ist, hervorrufbar ist. Gleichzeitig bezieht sich der Begriff im allgemeinsten Sinne auf ein Element, bei welchem in

umgekehrter Weise ein mechanisches Einwirken, beispielsweise das Aufbringen einer Druckkraft, die Erzeugung eines elektrischen Feldes bzw. einer elektrischen Spannung bewirkt.

[0009] Der im Vorstehenden verwendete Begriff .Domäne' bezeichnet einen

Bereich eines polykristallinen und ferroelektrischen bzw. ferroelektrisch- piezoelektrischen Materials, in welchem eine identische oder nahezu identische Polarisationsrichtung vorhanden ist.

[0010] Der im Vorstehenden bezeichnete Begriff Ausdehnungsrichtung V

beschreibt die Richtung der betragsmäßig größten und für den

spezifischen Anwendungsfall nutzbaren Ausdehnung des

elektromechanischen Elements.

[0011] Durch den wenigstens einen Spannungspuls wird - abhängig von der

Amplitude und der Dauer des Spannungspulses - bei einem kleineren oder größeren Teil der Domänen der Polarisationszustand bleibend verändert, so dass entsprechende definierte und bleibende

Deformationsänderungen des Änderungsabschnitts des

elektromechanischen Elements resultieren. Werden hierbei die

entsprechenden Domänen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung in einen Zustand gleicher Polarisationsrichtung überführt, so ergibt sich eine vergrößerte Ausdehnung des Änderungsabschnitts des

elektromechanischen Elements entlang der Ausdehnungsrichtung V, während die Überführung von Domänen mit gleicher Polarisationsrichtung in einen Zustand unterschiedlicher Polarisationsrichtung zu einer Abnahme der Ausdehnung des Änderungsabschnitts des elektromechanischen Elements entlang der Ausdehnungsrichtung V führt.

[0012] Es kann von Vorteil sein, dass die Dauer eines Spannungspulses

zwischen 50 und 150ms, und bevorzugt zwischen 70 und 120ms beträgt.

[0013] Hierbei kann es von Vorteil sein, dass die Dauer des Anstiegsabschnitts eines Spannungspulses und die Dauer des Abfallabschnitts eines

Spannungspulses zwischen 5 und 20ms, und bevorzugt zwischen 8 und 12ms beträgt.

[0014] Es kann auch von Vorteil sein, dass nach dem Schritt des Bereitstellens eines elektromechanischen Elements und vor dem Schritt der Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden des

Änderungsabschnitts durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Form wenigstens eines Spannungspulses ein zusätzlicher Verfahrensschritt zur Erzeugung einer definierten Anfangsausdehnung des

Änderungsabschnitts ausgeführt wird, bei welchem eine solche elektrische Spannung bzw. solche elektrische Spannungen an die Elektroden des Änderungsabschnitts angelegt wird bzw. werden, wonach eine maximale Ausdehnungszunahme entsprechend einem Polarisationsgrad von 100% und/oder eine maximale Ausdehnungsabnahme entsprechend einem Polarisationsgrad von 0% des Änderungsabschnitts resultieren/resultiert, wobei der Unterschied zwischen der maximalen Ausdehnungszunahme und der maximalen Ausdehnungsabnahme den maximal möglichen Ausdehnungsänderungsbereich definiert.

[0015] Es kann daneben von Vorteil sein, dass bei einer beabsichtigen

Ausdehnungsänderung von weniger als 50% des maximalen

Ausdehnungsänderungsbereichs eine solche elektrische Spannung an die Elektroden des Änderungsabschnitts angelegt wird, dass ein

Polarisationsgrad von 0% resultiert, und bei einer beabsichtigten

Ausdehnungsänderung von mehr als 50% des maximalen

Ausdehnungsänderungsbereichs eine solche elektrische Spannung an die Elektroden des Änderungsabschnitts angelegt wird, dass ein

Polarisationsgrad von 100% resultiert. [0016] Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass ein elektromechanisches Element bereitgestellt wird, bei dem in dem Ausgangszustand das Material des Änderungsabschnitts einen Polarisationsgrad zwischen 40% und 60%, und besonders bevorzugt einen Polarisationsgrad von 50% aufweist. Mit Polarisationsgrad ist hierbei der Anteil der Domänen des Materials des Änderungsabschnitts des elektromechanischen Elements bezeichnet, welche eine gleiche Polarisationsrichtung aufweisen. Durch die

entsprechende Polarisation des Materials des Änderungsabschnitts des elektromechanischen Elements in seinem Ausgangszustand ist es möglich, bereits aus dem Ausgangszustand heraus durch Verringerung der Anzahl an Domänen gleicher Polarisationsrichtung eine Abnahme der Ausdehnung des Änderungsabschnitts des elektromechanischen

Elements entlang der Ausdehnungsrichtung V zu realisieren.

[0017] Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Amplitude der Spannungspulse für eine definierte Zunahme der Ausdehnung des Änderungsabschnitts des elektromechanischen Elements entlang der Ausdehnungsrichtung V so bemessen ist, dass eine resultierende elektrische Feldstärke zwischen benachbarten Elektroden zwischen 50% und 200% der Koerzitivfeldstärke beträgt. Hierbei kann die entsprechende Amplitude umso kleiner bemessen sein, je größer die Dauer und/oder je größer die Anzahl der aufgebrachten Spannungsimpulse ist, und umgekehrt kann die

entsprechende Amplitude umso größer bemessen sein, je kleiner die Dauer und/oder die Anzahl der der aufgebrachten Spannungsimpulse ist. Mit Koerzitivfeldstärke ist die Feldstärke gemeint, die ausreichend ist, um entweder alle Dipolmomente der Domänen eines ferroelektrischen

Materials in Feldrichtung auszurichten (Sättigungspolarisation) oder um die Polarisation auf Null zu verringern.

[0018] Femer kann es von Vorteil sein, dass die Amplitude der Spannungspulse für eine definierte Abnahme der Ausdehnung des Änderungsabschnitts des elektromechanischen Elements entlang der Ausdehnungsrichtung V so bemessen ist, dass die resultierende elektrische Feldstärke zwischen benachbarten Elektroden zwischen 10% und 90% der Koerzitivfeldstärke beträgt. Auch hierbei kann die entsprechende Amplitude umso kleiner bemessen sein, je größer die Dauer und/oder je größer die Anzahl der aufgebrachten Spannungsimpulse ist, und umgekehrt kann die

entsprechende Amplitude umso größer bemessen sein, je kleiner die Dauer und/oder die Anzahl der der aufgebrachten Spannungsimpulse ist.

[0019] Außerdem kann es von Vorteil sein, dass einem ersten Spannungspuls ein zweiter Spannungspuls folgt, wobei der zweite Spannungspuls eine zu dem ersten Spannungspuls unterschiedliche Polarität aufweist.

[0020] Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass sich die Amplitude des zweiten Spannungspulses von der Amplitude des ersten

Spannungspulses unterscheidet, und bevorzugt die Amplitude des zweiten Spannungspulses betragsmäßig kleiner als die Amplitude des ersten Spannungspulses ist.

[0021] Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren angesteuerten elektromechanischen Elements als Stellelement.

[0022] Außerdem betrifft die Erfindung die Anordnung eines nach dem

vorstehend beschriebenen Verfahren angesteuerten elektromechanischen Elements zwischen zwei gegeneinander zu bewegenden Elementen.

[0023] Hierbei kann es von Vorteil sein, dass zwischen dem mit dem

erfindungsgemäßen Verfahren angesteuerten elektromechanischen Element und einem der beiden gegeneinander zu bewegenden Elemente ein weiteres elektromechanisches Element, vorzugsweise ein

piezoelektrischer Aktor, angeordnet ist. Ebenso ist jedoch denkbar, dass ein elektromechanisches Element zwei unterschiedliche Abschnitte aufweist, wovon einer der Änderungsabschnitt ist, der nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert wird, während der

verbleibende Teil - welcher dann dem weiteren elektromechanischen Element bzw. dem piezoelektrischen Aktor im Sinne des Vorstehenden entspricht - einen herkömmlichen Aktor darstellt.

[0024] Es zeigen:

[0025] Fig. 1 : Versuchsaufbau zur Bestimmung der Ausdehnungs- bzw.

Dickenänderung eines elektromechanischen Elements unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens [0026] Fig. 2: Ausdehnungs- oder Dickenzunahme des elektromechanischen Elements gemäß Versuchsaufbau nach Fig. 1 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Nutzung von mehreren

Spannungspulsen gleicher Dauer und unterschiedlicher positiver elektrischer Spannungen

[0027] Fig. 3: Ausdehnungs- oder Dickenabnahme des elektromechanischen Elements gemäß Versuchsaufbau nach Fig. 1 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Nutzung von mehreren

Spannungspulsen gleicher Dauer und unterschiedlicher negativer elektrischer Spannungen

[0028] Fig. 4: Ausdehnungs- oder Dickenzunahme und Positionsstabilität des elektromechanischen Elements gemäß Versuchsaufbau nach Fig. 1 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Nutzung von mehrfachen Spannungspulsen gleicher Dauer und gleicher positiver elektrischer Spannung

[0029] Fig. 5: Ausdehnungs- bzw. Dickenzunahme und Positionsstabilität des elektromechanischen Elements gemäß Versuchsaufbau nach Fig. 1 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Nutzung von einfachen Spannungspulsen gleicher Dauer und unterschiedlicher positiver elektrischer Spannung

[0030] Fig. 6: Ausdehnungs- oder Dickenabnahme und Positionsstabilität des elektromechanischen Elements gemäß Versuchsaufbau nach Fig. 1 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Nutzung von einfachen Spannungspulsen gleicher Dauer und unterschiedlicher negativer elektrischer Spannungen

[0031] Fig. 7: Schematische Darstellung zur Verwendung eines nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren angesteuerten elektromechanischen Elements als Stellelement bzw. dessen entsprechende Anordnung

[0032] Fig. 8: Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Ausdehnungsänderung eines mit einem einzelnen Spannungspuls beaufschlagten

elektromechanischen Elements

[0033] Fig. 9: Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Ausdehnungsänderung eines mit zwei aufeinanderfolgenden Spannungsimpulsen unterschiedlicher Polarität und Amplitude beaufschlagten elektromechanischen Elements

[0034] Fig. 1 zeigt den Versuchsaufbau zur Bestimmung des

Ausdehnungsänderungsverhaltens eines elektromechanischen Elements entlang einer Ausdehnungsrichtung V unter Anwendung des

erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Änderungsabschnitt des

elektromechanischen Elements umfasst hierbei das komplette

elektromechanische Element.

[0035] Das elektromechanische Element 3 in Form eines Ringes mit einem

Außendurchmesser von 16 mm, einem Innendurchmesser von 8 mm und einer Dicke von 2,5 mm besteht hierbei aus dem piezokeramischen Material PIC252 der Firma PI Ceramic GmbH, Thüringen. Dieses piezokeramische Material besitzt eine Koerzitivfeldstärke von 1 ,1kV/mm. Die Ausdehnungsrichtung V entspricht der Richtung der

Dickenausdehnung des elektromechanischen Elements.

[0036] Das elektromechanische Element 3 weist eine Vielzahl von Lagen

piezokeramischen Materials auf, wobei die einzelnen Lagen durch dazwischen angeordnete Elektroden getrennt sind (sogenannter

Multilayeraufbau), und jeweils zwischen zwei benachbarten Elektroden die entsprechende elektrische Spannung zum Ausbilden des gewünschten elektrischen Feldes innerhalb des piezokeramischen Materials anlegbar ist. Die Stapelrichtung der Lagen piezokeramischen Materials und der dazwischen angeordneten Elektroden ist hierbei in Richtung der

Dickenausdehnung des elektromechanischen Elements. Die

Ausdehnungsrichtung V verläuft somit im Wesentlichen senkrecht zu den Elektroden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Ausdehnungsrichtung V des elektromechanischen Elements parallel zu den Elektroden verläuft.

[0037] Neben dem oben beschriebenen Multilayeraufbau für das

elektromechanische Element kommt auch ein Aufbau in Frage, bei welchem nur an den Außenseiten des elektromechanischen Elements Elektroden angeordnet sind, und sich dementsprechend zwischen den Elektroden nur das Material mit elektromechanischen Eigenschaften befindet. [0038] Das elektromechanische Element 3 ist fest zwischen der Grundplatte 2 und der beweglichen Platte 1 mittels einer Vorspannungseinrichtung 4 bestehend aus einer in das Gewinde der Grundplatte eingedrehten Schraube und einer Tellerfeder, welche zwischen Schraubenkopf und beweglicher Platte angeordnet ist, eingespannt, so dass sich eine

Vorspannungskraft von etwa 100N ergibt. Zwischen der Grundplatte und der beweglichen Platte ist ein kapazitives Messsystem 5 zur Erfassung ihres Abstands vorgesehen, wobei dieser Abstand mit der

Ausdehnungsänderung des elektromechanischen Elements korreliert.

[0039] Fig. 2 zeigt mit dem Versuchsaufbau gemäß Fig. 1 erhaltene

Messergebnisse an dem elektromechanischen Element, die bei

Raumtemperatur ermittelt wurden. Hierbei sind zum Einen die jeweils an dem elektromechanischen Element angelegten Spannungspulse, und zum Anderen die entsprechenden Ausdehnungsänderungen des

elektromechanischen Elements dargestellt. Die einzelnen

Spannungspulse haben eine Dauer von 10ms, und die Frequenz der aufgebrachten Spannungspulse beträgt 1 Hz.

[0040] Die bei dem labormäßigen Versuchsaufbau verwendeten Spannungspulse mit einer Dauer von 10ms sind für reale Anwendungsfälle eher nachteilig, weil die Endstufen der entsprechenden Spannungsquelle in der Regel nur begrenzte Ausgangsleistungen besitzen, und bei solch kurzen

Impulszeiten sehr hohe Ströme bereitgestellt werden müssen, welche gegebenenfalls von den Endstufen nicht gewährleistet werden können. Als für reale Anwendungsfälle praktikabel haben sich Spannungspulse mit einer Dauer zwischen 50 und 150ms, bevorzugt zwischen 70 und 120ms qualifiziert, wobei die Anstiegs- und Abfallzeit an den Flanken der

Spannungspulse am besten zwischen 5 und 20ms, und bevorzugt zwischen 8 und 12ms liegen.

[0041] Bei Spannungspulsen mit einer Amplitude unterhalb einer positiven

elektrischen Spannung von 80 Volt erfolgt bei dem elektromechanischen Element keine erkennbare Ausdehnungs- bzw. Dickenänderung. Erst bei Spannungspulsen von +80 Volt erfolgt mit jedem einzelnen Puls eine gewisse Ausdehnungs- bzw. Dickenzunahme, die bei den anfänglichen Pulsen größer ist und mit steigender Pulsanzahl geringer wird.

[0042] In Fig. 2 ist hierbei zu erkennen, dass zu Beginn eines jeden

Spannungspulses eine relativ große Ausdehnungs- bzw. Dickenänderung erfolgt, diese jedoch mit Beendigung des Spannungspulses zunächst schlagartig zurückgeht, und in direktem Anschluss über einen längeren Zeitraum nur noch ganz leicht abfällt. Dieses Ausdehnungsverhalten ist darauf zurückzuführen, dass zunächst, d.h. mit Beginn des

Spannungspulses, sowohl eine bleibende und eine labile Umorientierung von Domänen, als auch eine Anregung des inversen piezoelektrischen Effekts innerhalb des elektromechanischen Elements stattfindet. Effektiv nutzbar ist hierbei nur die bleibende Umorientierung der Domänen und die entsprechende remanente Ausdehnung. Der Begriff Jabile Umorientierung von Domänen ^* bezeichnet den Umstand, dass durch den Spannungspuls eine gewisse Anzahl von Domänen zunächst zwar eine Umorientierung erfährt, diese jedoch nicht stabil, sondern nur labil ist, so dass eine RückOrientierung in den vorherigen Zustand stattfindet. Dieser Prozess, das sogenannte Kriechen, benötigt etwas Zeit, wodurch das langsamere Abfallen der Ausdehnung in diesem Bereich zu erklären ist.

[0043] Die abzüglich des Kriechvorgangs verbleibende Ausdehnungs- bzw.

Dickenzunahme beruht also auf der bleibenden bzw. dauerhaften

Ausrichtung einer gewissen Anzahl von Dipolen in den einzelnen

Domänen des piezokeramischen Materials des elektromechanischen Elements. Mit zunehmender Anzahl an aufgebrachten Spannungspulsen mit einer Spannung von +80 Volt erfährt das elektromechanische Element eine zunehmende Polarisation, wobei diese Polarisation eine bleibende bzw. remanente Dehnung hervorruft, welche auch nach Wegnahme der elektrischen Spannung bestehen bleibt.

[0044] Fig. 3 zeigt weitere mit dem Versuchsaufbau gemäß Fig. 1 erhaltene

Messergebnisse an dem elektromechanischen Element bei

Raumtemperatur, und zwar nach Durchführung der Messungen gemäß Fig. 2. Ausgangszustand ist dementsprechend ein bereits in der

Ausdehnung entlang der Ausdehnungsrichtung V bzw. in Dickenrichtung vergrößerten elektromechanischen Elements, an welches in einem ersten Schritt Pulse mit einer geringen negativen elektrischen Spannung von -20 Volt angelegt werden. Bereits diese niedrige elektrische Spannung reicht dabei aus, dass die einzelnen Pulse eine Ausdehnungs- bzw.

Dickenreduktion des elektromechanischen Elements bewirken, welche mit den anfänglichen Pulsen stärker ausfällt als bei den nachfolgenden Pulsen. Diese Ausdehnungs- bzw. Dickenreduktion beruht auf einer teilweisen Depolarisation des piezokeramischen Materials des

elektromechanischen Elements, so dass in den einzelnen Domänen bereits ausgerichtete Dipole in einen nicht-ausgerichteten Zustand überführt werden.

[0045] Wird die negative elektrische Spannung weiter auf -40 Volt verändert, erfolgt mit jedem entsprechenden Puls eine größere Ausdehnungs- oder Dickenreduktion bzw. Depolarisation, die anfänglich deutlich stärker ist. Bei weiterer Änderung der negativen elektrischen Spannung auf -60 Volt ergibt sich abermals eine erhöhte Ausdehnungs- oder Dickenreduktion im Vergleich zu den beiden zuvor angewandten Spannungspulsen. Wird die Spannung auf -80 Volt eingestellt, findet in den Domänen des

piezokeramischen Materials des elektromechanischen Elements eine sogenannte Umpolarisation statt, bei welcher eine spontane Ausrichtung der Dipole in einer Richtung resultiert, welche entgegengesetzt zu der Ausrichtungsrichtung bei der vorhergehenden Depolarisation ist. Die Pulse mit einer negativen elektrischen Spannung von -80 Volt bewirken dabei aufeinanderfolgende Schritte der Ausdehnungs- bzw. Dickenzunahme, die ähnlich zu den Schritten der Ausdehnungs- bzw. Dickenzunahme bei der Anwendung der Pulse mit einer positiven elektrischen Spannung von +80 Volt sind.

[0046] Fig. 4 zeigt Messergebnisse an einem elektromechanischen Element gemäß dem Versuchsaufbau in Fig. 1 , wobei exakt fünf Spannungspulse mit einer jeweiligen Pulsdauer von 10ms, einer Pulsfrequenz von 1 Hz und einer elektrischen Spannung von +80 Volt bei Raumtemperatur auf das elektromechanische Element aufgebracht werden, und danach die

Spannungsquelle von dem elektromechanischen Element getrennt wird. Nach besagter Trennung der Spannungsquelle von dem

elektromechanischen Element behält dieses die entsprechend induzierte Ausdehnungs- bzw. Dickenzunahme aufgrund der korrespondierenden Polarisation dauerhaft und stabil bei.

[0047] In Fig. 5 sind Messergebnisse gezeigt, die ebenfalls an einem

elektromechanischen Element gemäß dem Versuchsaufbau in Fig. 1 bei Raumtemperatur ermittelt wurden. Hierbei werden nacheinander drei einzelne Pulse mit einer Pulsdauer von jeweils 10ms mit unterschiedlich hohen positiven elektrischen Spannungen auf das elektromechanische Element aufgebracht mit nachfolgender Wegnahme der jeweiligen elektrischen Spannung. Nach dem ersten Spannungspuls mit einer Amplitude von +80 Volt ergibt sich eine bestimmte Ausdehnungs- oder Dickenzunahme bzw. Polarisation, die nach Wegnahme der elektrischen Spannung bestehen bleibt (remanente Dehnung). Bei dem nachfolgenden zweiten Spannungspuls mit einer Amplitude von +90 Volt ergibt sich eine Ausdehnungs- oder Dickenzunahme, die größer ist als bei dem ersten Spannungspuls. Auch diese Ausdehnungs- oder Dickenzunahme bleibt nach Wegnahme der elektrischen Spannung bestehen. Beim dritten Spannungspuls mit einer Amplitude von +100 Volt schließlich ergibt sich die größte Ausdehnungs- oder Dickenzunahme, wobei jedoch der

Unterschied zu der Ausdehnungszunahme bei +90 Volt geringer ausfällt als der entsprechende Unterschied zwischen +80 Volt und +90 Volt. Auch nach Wegnahme der Spannung von +100 Volt bleibt die

korrespondierende Dehnung remanent.

[0048] Direkt im Anschluss an die Ermittlung der Messergebnisse gemäß Fig. 5 wurden an das gleiche elektromechanische Element bei Raumtemperatur und ebenfalls unter Nutzung des Versuchsaufbaus gemäß Fig. 1 Pulse mit unterschiedlichen negativen elektrischen Spannungen angelegt mit nachfolgender Wegnahme (siehe Fig. 6). Bereits bei der sehr niedrigen Spannung von -5 Volt resultiert eine geringfügige Depolarisation mit entsprechender Ausdehnungs- bzw. Dickenreduktion des

elektromechanischen Elements, wobei die resultierende Ausdehnungsoder Dickenänderung bleibend bzw. remanent ist. Dies zeigt sich in analoger Weise für die nachfolgenden Spannungspulse mit Amplituden von -10 Volt, -20 Volt, -30 Volt und -40 Volt. In jedem Falle ergibt sich eine bleibende bzw. remanente Ausdehnungsreduktion bzw. Dickenreduktion des elektromechanischen Elements, wobei die jeweilige Reduktion umso größer ist, je höher die negative Spannung ist. Dieser Effekt ist besonders deutlich bei den ersten vier Spannungspulsen, während der Unterschied in der Ausdehnungsänderung bei -30 Volt und -40 Volt nur noch marginal ist.

[0049] Fig. 7 verdeutlicht in einer schematischen Darstellung zum Einen die

Verwendung eines nach dem eriindungsgemäßen Verfahren

angesteuerten elektromechanischen Elements als Stellelement, und zum Anderen die entsprechende Anordnung eines solchen

elektromechanischen Elements. Wie in Fig.1 stellt das gesamte

elektromechanische Element den Änderungsabschnitt des

elektromechanischen Elements dar.

[0050] Das elektromechanische Element bzw. das Stellelement 3 ist hierbei

zwischen einem ortsfesten Element in Form der Grundplatte 2 und einem gegenüber der Grundplatte 2 zu bewegenden Element in Form der beweglichen Platte 1 angeordnet, wobei mittels eines kapazitiven

Messsystems 5 der Abstand zwischen der Grundplatte 2 und der beweglichen Platte 1 gemessen bzw. kontrolliert wird. Die so ermittelten Abstandsdaten werden einem Controller 6 übergeben, der entsprechende Ansteuersignale an die Spannungsquelle 7 sendet, und die

Spannungsquelle 7, die elektrisch mit dem Stellelement 3 verbunden ist, beaufschlagt dieses mit entweder mit einer Folge von Spannungspulsen oder aber nur mit einem einzelnen Spannungspuls, so dass die

gewünschte Position der beweglichen Platte 1 aufgrund einer definierten Zunahme oder Abnahme der Ausdehnung des Stellelements in einer Ausdehnungsrichtung V, welche parallel zur Verstellrichtung der beweglichen Platte 1 verläuft, angefahren wird. Sodann erfolgt eine Trennung der elektrischen Verbindung zwischen der Spannungsquelle 7 und dem Stellelement 3, wobei das Stellelement 3 seine zuvor eingestellte und definierte Ausdehnungsänderung auch ohne elektrische

Spannungsbeaufschlagung dauerhaft beibehält. [0051] Neben der so beschriebenen Verwendung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuerten elektromechanischen Elements als Stellelement in einem geregelten System, d.h. unter

Zuhilfenahme eines Messsystems und die Übergabe der entsprechenden Messwerte an einen Controller, ist auch eine Verwendung als Stellelement in einem ungeregelten System (open loop) möglich. Diesbezügliche Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass hierbei Genauigkeiten von etwa +/- 3% erzielbar sind, wobei durch Optimierung auch höhere

Genauigkeiten möglich erscheinen.

[0052] Die Verwendung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

angesteuerten elektromechanischen Elements als Stellelement erlaubt hierbei Stellbewegungen mit geringsten Dimensionen, wobei die

Dimension der Stellbewegungen insbesondere von der Höhe bzw. der Amplitude und der Dauer der Spannungspulse abhängen.

[0053] Es ist weiterhin eine Anordnung, insbesondere eine Reihenanordnung, eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuerten

elektromechanischen Elements zusammen mit einem herkömmlichen elektromechanischen Element wie etwa einem piezoelektrischen Aktor oder Piezoaktor denkbar, wobei der herkömmliche Piezoaktor die entsprechende Ausdehnung nur solange aufrecht erhält, wie eine elektrische Spannung an diesem anliegt, während bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuerten elektromechanischen Element die Ausdehnungszunahme oder -abnähme auch ohne Anliegen einer elektrischen Spannung gewährleistet ist. Der vorstehend

bezeichnete Begriff .Reihenanordnung' beschreibt hierbei eine Anordnung, bei welchem das elektromechanische Element und der herkömmliche Piezoaktor hintereinander angeordnet sind, so dass der herkömmliche Piezoaktor zwischen dem elektromechanischen Element und einem der gegeneinander zu bewegenden Elemente angeordnet ist.

[0054] Neben der zuvor beschriebenen Reihenanordnung von

elektromechanischem Element und herkömmlichem Piezoelement sieht die Erfindung vor, dass ein einziges elektromechanisches Element vorhanden ist, bei welchem ein Abschnitt, nämlich der Änderungsabschnitt, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

angesteuert ist, während der verbleibende Teil oder Abschnitt des elektromechanischen Elements entweder einen gleichen oder einen anderen Aufbau wie der Änderungsabschnitt aufweist, und dieser verbleibende Teil oder Abschnitt des elektromechanischen Elements nach einem herkömmlichen Verfahren zur Ansteuerung eines

elektromechanischen Elements angesteuert ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem verbleibenden Teil oder Abschnitt des elektromechanischen Elements um ein piezoelektrisches Material mit wenigstens zwei

Elektroden, zwischen welchen dieses piezoelektrische Material angeordnet ist, wobei das piezoelektrische Material vollständig polarisiert ist, und eine zur angelegten Spannung korrelierende Ausdehnung realisiert werden kann, die allerdings mit Wegnahme der elektrischen Spannung - im Gegensatz zu einer Ausdehnungsänderung des

Änderungsabschnitts - wieder auf den ursprünglichen Wert zurückfällt. Somit stellt der verbleibende Teil oder Abschnitt des elektromechanischen Materials einen herkömmlichen Piezoaktor dar.

[0055] Die maximal mögliche, durch Anlegen einer elektrischen Spannung

hervorgerufene Ausdehnung eines herkömmlichen Piezoaktors beträgt etwa 1-2 %o seiner Abmessung in Ausdehnungsrichtung ohne angelegte elektrische Spannung. Dagegen beträgt die maximal mögliche, ohne die Einwirkung einer elektrischen Spannung dauerhaft bestehende

Ausdehnung in Ausdehnungsrichtung eines nach dem

erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuerten elektromechanischen Elements etwa 50-60% der maximal möglichen Ausdehnung eines herkömmlichen Piezoaktors (bei gleichem Aufbau von

elektromechanischem Element und herkömmlichem Piezoaktor).

[0056] Fig. 8 verdeutlicht in einem Messdiagramm den zeitlichen Verlauf der Ausdehnungsänderung eines mit einem einzelnen Spannungspuls beaufschlagten elektromechanischen Elements gemäß

Versuchsanordnung von Fig. 1. Der Spannungspuls hat dabei eine Amplitude von 40 Volt und eine Dauer von 100ms, wobei die Anstiegszeit und die Abfallzeit der Flanken des Pulses eine Dauer von etwa 10ms besitzen. Mit Einsetzen des Spannungspulses erfolgt eine rasche

Ausdehnungsvergrößerung des elektromechanischen Elements um fast 4,5 Mm. Diese Ausdehnungsvergrößerung nimmt schlagartig mit

Beendigung des Spannungspulses ab, wobei gegenüber dem

Ausgangszustand eine remanente Dehnung von ca. 1 ,2μπη verbleibt. Im weiteren Verlauf ist zu erkennen, dass die remanente Dehnung direkt nach Beendigung des Spannungspulses noch nicht konstant ist, sondern über einen gewissen Zeitraum noch ein geringfügiger Rückgang der Ausdehnung stattfindet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch den Spannungspuls bei einigen Domänen zwar eine Umorientierung stattfand, wobei die eingebrachte Energie jedoch nicht für eine dauerhafte und bleibende Umorientierung ausreichend ist. Es finden Rückklappvorgänge statt, wodurch die zuvor realisierte Umorientierung der entsprechenden Domänen wieder rückgängig gemacht wird (Kriechvorgang oder

Kriechen). Insgesamt resultiert dadurch mit dem einzelnen Spannungspuls eine etwas reduzierte Ausdehnungsänderung.

[0057] Um dem vorstehend beschriebenen Phänomen des Kriechens zu

begegnen, besteht die Möglichkeit, direkt im Anschluss des ersten

Spannungspulses einen zweiten Spannungspuls zu applizieren, wobei der zweite Spannungspuls jedoch eine umgekehrte Polarität wie der erste Spannungspuls aufweist. Fig. 9 verdeutlicht die durch den zweiten

Spannungspuls oder Gegenpuls erzielbaren Effekte anhand eines

Messdiagramms, wobei ansonsten im Vergleich zu Fig. 8 identische Messbedingungen vorlagen.

[0058] Der Fig. 9 ist zu entnehmen, dass mit dem ersten Spannungspuls positiver Polarität ein Ausdehnungsverhalten bezüglich des elektromechanischen Elements erzielt wird wie es bereits aus Fig. 8 bekannt ist. Durch den sich anschließenden zweiten Spannungspuls mit negativer Polarität und gleicher Dauer, aber geringerer Amplitude als beim ersten Spannungspuls erfolgt abweichend zu Fig. 8 eine gewisse Depolarisation des zuvor polarisierten Materials des elektromechanischen Elements, wobei diese Depolarisation jedoch gering ist und im Wesentlichen dafür sorgt, dass die zu Fig. 8 beschriebenen Rückklappvorgänge erheblich beschleunigt werden, so dass keine Kriechvorgänge mehr an dem

elektromechanischen Element zu messen sind. Letztlich wird die remanente Dehnung des elektromechanischen Elements im Vergleich zu der ansonsten identischen Messung gemäß Fig. 8 durch den Gegenpuls nur geringfügig reduziert, jedoch mit dem entscheidenden Vorteil, dass die remanente Dehnung nun keine zeitabhängige Änderung mehr erfährt und stabil ist.

[0059] Es sei explizit darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl die Anwendung einer Folge von Spannungspulsen, als auch die Anwendung eines einzelnen bzw. einzigen Spannungspulses zur

Erreichung einer gewünschten Ausdehnung des elektromechanischen Elements vorsieht.