PIEZOELEKTRISCHE VORRICHTUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ein piezoelektrisches Wandlerelement und einen Träger aufweist.

Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Sensor zur Detektion mechanischer Verformungen handeln.

Derartige Sensoren spielen seit langem in diversesten

Applikationsfeldern eine wichtige Rolle. In vielen

Steuerungsprozessen wird eine mechanische Verformung, zum Beispiel durch Druck oder Torsion, detektiert und als

Regelgröße verwendet. Mit fortschreitendem Einsatz von autonomen Systemen wird eine derartige Detektion mechanischer Verformungen weiter an Bedeutung gewinnen.

Im allgemeinen besteht ein Sensorsystem aus einem

Wandlerelement, das eine Messgröße in ein messbares

elektrisches Signal wandelt, und einer Auswerteelektronik, die zur Signalverarbeitung dient und das Signal

beispielsweise verstärkt, filtert und/oder digitalisiert. Ein von der Auswerteelektronik ausgegebenes Ausgangssignal kann in weiterer Folge an ein übergeordnetes Regel

beziehungsweise Steuerungssystem übergeben werden.

Um die Signalqualität zu verbessern, sind im Stand der

Technik Lösungen bekannt, bei denen versucht wird, ein von dem Wandlerelement erzeugtes Signal zu verstärken.

Beispielsweise schlägt US 6,434,917 A einen Mehrlagenaufbau von piezoelektrischen Komponenten vor, um in einem

Wandlerelement ein stärkeres Signal zu erzeugen. Ein

piezoelektrisches Wandlerelement mit einem Mehrlagenaufbau führt jedoch - im Vergleich zu einem piezoelektrischen

Wandlerelement mit einer einzigen piezoelektrischen Schicht - zu einem Mehraufwand in der Prozessführung bei seiner

Herstellung. US 2010/181871 schlägt vor, eine

Signalintensität über eine Wahl der geometrischen und

mechanischen Parameter des piezoelektrischen Wandlerelementes gezielt zu beeinflussen. Dadurch wird jedoch die

Designfreiheit im Hinblick auf die Geometrie und die

mechanischen Ausgestaltung des Wandlerelements eingeschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, eine verbesserte Vorrichtung anzugeben. Es soll beispielsweise eine Vorrichtung angegeben werden, die keine besonderen

Anforderungen hinsichtlich der Ausgestaltung des

Wandlerelementes stellt und/oder ein einfaches

Herstellungsverfahren ermöglicht .

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte

Ausführungsformen der Vorrichtung an.

Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein

piezoelektrisches Wandlerelement und einen Träger aufweist, die derart miteinander zu einem Verbund mechanisch verbunden sind, dass das piezoelektrische Wandlerelement und der Träger unter Einwirkung einer Kraft gemeinsam verformt werden. Der Träger ist derart ausgestaltet, dass eine neutrale Faser, die bei einem Verbiegen des Verbunds aus dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem Träger keine Längenänderung erfährt, innerhalb des Trägers angeordnet ist.

Die Eigenschaften der Vorrichtung können hierbei durch eine geeignete Wahl der mechanischen und geometrischen Eigenschaften des Trägers bestimmt werden. Insbesondere kann der Träger dazu ausgestaltet sein, eine hohe elektrische Antwort in dem piezoelektrischen Wandlerelement zu

ermöglichen. Da die neutrale Faser sich innerhalb des Trägers befindet, kann das piezoelektrische Wandlerelement über sein gesamtes Volumen aktiv sein. Die neutrale Faser ist nicht innerhalb des piezoelektrischen Wandlerelementes ausgebildet, sodass das gesamte Volumen des piezoelektrischen

Wandlerelementes eine Längenänderung erfährt und damit zur Erzeugung einer elektrischen Spannung beiträgt.

Die Vorrichtung kann als Sensor und/oder als Aktuator

betrieben werden. Bei dem Betrieb als Sensor kann die

Vorrichtung dazu ausgestaltet sein, die Höhe der auf die Vorrichtung einwirkenden Kraft anhand einer in dem

piezoelektrischen Wandlerelement erzeugten elektrischen

Spannung zu bestimmen.

Bei Betrieb als Aktuator kann die Kraft, die das

piezoelektrische Wandlerelement und den Träger verformt, von dem piezoelektrischen Wandlerelement selbst erzeugt werden. Dabei wird die Kraft dadurch erzeugt, dass eine Spannung an das piezoelektrische Wandlerelement angelegt wird. Dieses kann zu einer Auslenkung der Vorrichtung führen. Da die neutrale Faser im Träger und nicht im piezoelektrischen

Wandlerelement angeordnet ist, kann das gesamte Volumen des piezoelektrischen Wandlerelementes zur Auslenkung beitragen.

Das piezoelektrische Wandlerelement und der Träger können als Verbund bezeichnet werden, wenn eine Verformung des

piezoelektrischen Wandlerelementes stets zu einer Verformung des Trägers führt. Das piezoelektrische Wandlerelement ist flächig auf dem Träger befestigt. Insbesondere kann eine Unterseite des piezoelektrischen Wandlerelementes auf einer Oberfläche des Trägers befestigt sein, wobei auch bei einem Verbiegen der Vorrichtung die Unterseite des

piezoelektrischen Wandlerelementes an der Oberseite des Trägers anliegt.

Das piezoelektrische Wandlerelement kann auf dem Träger angeordnet sein. Insbesondere kann das piezoelektrische

Wandlerelement auf dem Träger aufgedruckt sein.

Beispielsweise kann das piezoelektrische Wandlerelement mittels Siebdruck auf dem Träger aufgebracht sein. Alternativ ist auch Schablonendruck, Inkj et-Druck, Rakeln, Aufdampfen oder Aufsputtern möglich.

Die Vorrichtung kann beispielsweise ein einseitig

eingespannter Balken oder ein zweiseitig eingespannter Balken sein .

Das piezoelektrische Wandlerelement kann eine keramische Schicht oder eine ferroelektrische Polymerschicht oder eine Schicht aufweisend ein Verbundmaterial, das ein keramisches Material und eine piezoelektrische Polymermatrix aufweist, aufweisen. Keramische piezoelektrische Schichten zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen infolge des piezoelektrischen Effektes im Vergleich zu piezoelektrischen Polymerschichten höhere elektrische Spannungen erzeugt werden.

Ferroelektrische Polymerschichten ermöglichen es dagegen, die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen mit den

elektrischen Eigenschaften von keramischen Werkstoffen zu verbinden. Ferroelektrische Polymerschichten zeichnen sich zudem dadurch aus, dass sie ein geringes Elastizitätsmodul und somit eine hohe mechanische Flexibilität aufweisen. Ein Beispiel für eine ferroelektrische Polymerschicht ist PVDF:TrFE. Ein Beispiel für eine keramische piezoelektrische Schicht ist PZT.

Eine Dicke des Trägers kann derart ausgestaltet sein, dass die neutrale Faser innerhalb des Trägers angeordnet ist. Die Dicke des Trägers gibt dabei die Ausdehnung des Trägers von einer Unterseite zu einer Oberseite des Trägers an. Auf der Oberseite des Trägers kann die piezoelektrische Schicht flächig angeordnet sein. Die Dicke des Trägers ist somit eine der Eigenschaften des Trägers, die geeignet ausgewählt werden können, um eine bevorzugte Lage der neutralen Faser zu bewirken .

Die Dicke des Trägers kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 1 gm und 500 gm liegen. Die Dicke des Trägers sollte unter Berücksichtigung der Dicke des piezoelektrischen

Wandlerelementes ausgewählt werden. Durch ein geeignetes Dickenverhältnis kann sichergestellt werden, dass die

neutrale Faser innerhalb des Trägers ausgebildet ist. Wird ein Träger mit einer Dicke im Bereich zwischen 1 pm und 500 pm mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, dessen Dicke im Bereich zwischen 10 nm und 100 pm liegt, zu einem Verbund kombiniert, liegt die neutrale Faser im Träger.

Wird ein Wandlerelement, dessen Dicken zwischen 10 nm und 100 pm liegt, auf einem Träger mit einer Dicke im Bereich von 1 pm bis 500 pm kombiniert, ist eine Verbesserung des

Ausgangssignales des Wandlerelementes zu beobachten, da die Lage der neutralen Faser sich weit weg vom Wandlerelement befindet und somit vom Betrag her größere mechanische

Spannungen auf das Wandlerelement wirken. Das Elastizitätsmodul des Trägers kann derart ausgestaltet sein, dass die neutrale Faser innerhalb des Trägers

angeordnet ist. Ein steifer Träger bewirkt gegenüber einem flexiblen Träger eine Verschiebung der neutralen Faser weg von dem piezoelektrischen Wandlerelement. Ist beispielsweise anwendungsbedingt eine Variation in der Dicke des Trägers nicht möglich, kann über eine geeignete Wahl des

Elastizitätsmoduls des Trägers sichergestellt werden, dass die neutrale Faser innerhalb des Trägers ausgebildet wird.

Das Elastizitätsmodul des Trägers bildet somit eine weitere Eigenschaft, die es ermöglicht, die Position der neutralen Faser zu verändern. Hierdurch kann eine Verschiebung der neutralen Faser an eine gewünschte Position erreicht werden, ohne das piezoelektrische Wandlerelement verändern zu müssen.

Bei der Vorrichtung kann es sich um einen Sensor handeln, der dazu ausgestaltet ist, eine Verformung, die durch die Kraft, die auf die Vorrichtung einwirkt, erzeugt wird, zu

detektieren. Auf diese Weise kann die Kraft gemessen werden. Die Vorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass die Kraft in dem piezoelektrischen Wandlerelement eine elektrische Spannung und/oder eine Ladung erzeugt, wobei die Vorrichtung mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, die dazu

ausgestaltet ist, eine Höhe der elektrischen Spannung

und/oder der Ladung zu messen. Die Vorrichtung kann

beispielsweise als Drucksensor, Abstandssensor oder

Nähesensor verwendet werden. Durch geeignete Wahl der

Eigenschaften des Trägers kann dabei ein besonders starkes Ausgangssignal in dem Wandlerelement erzeugt werden.

Alternativ oder ergänzend, kann es sich bei der Vorrichtung um einen Aktuator handeln. Die Vorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, dass die Kraft erzeugt wird, indem eine elektrische Spannung an das piezoelektrische Wandlerelement angelegt wird und das piezoelektrische Wandlerelement sich infolge der angelegten elektrischen Spannung verformt. Durch geeignete Wahl der Eigenschaften des Trägers kann dabei eine besonders starke Verformung des piezoelektrischen

Wandlerelementes bewirkt werden. Ist die neutrale Faser nicht innerhalb des piezoelektrischen Wandlerelementes angeordnet, kann jede Volumeneinheit des piezoelektrischen

Wandlerelementes zur Verformung beitragen.

Das piezoelektrische Wandlerelement kann einen

Vielschichtaufbau mit mehreren piezoelektrischen Schichten und dazwischen angeordneten Innenelektroden aufweisen.

Alternativ kann das piezoelektrische Wandlerelement eine einzige piezoelektrische Schicht aufweisen. Ein

Vielschichtaufbau bietet den Vorteil, dass hierbei eine höhere elektrische Spannung in dem piezoelektrischen

Wandlerelement erzeugt wird beziehungsweise dass es zu einer stärkeren mechanischen Verformung bei Betrieb als Aktuator kommt. Ein Einlagenaufbau bietet dagegen den Vorteil, dass ein Herstellungsprozess weniger komplex wird.

Das piezoelektrische Wandlerelement kann eine einzige

piezoelektrische Schicht, eine obere Elektrode und eine untere Elektrode aufweisen, wobei die piezoelektrische

Schicht zwischen der oberen Elektrode und der unteren

Elektrode angeordnet ist. Alternativ kann das

piezoelektrische Wandlerelement nur eine einzige

piezoelektrische Schicht und eine obere Elektrode aufweisen, wobei die piezoelektrische Schicht zwischen der oberen

Elektrode und dem Träger angeordnet ist und der Träger ein leitfähiges Material aufweist und dazu ausgestaltet ist, als Elektrode verwendet zu werden.

Der Träger kann einen Kunststoff, beispielsweise Polyimid,

PET oder PEN aufweisen. Alternativ kann der Träger ein Metall aufweisen. Beispielsweise kann der Träger Stahl oder

Aluminium aufweisen.

Ein weiterer Aspekt betrifft eine Anordnung, die eine

Auswerteelektronik und die oben beschriebene Vorrichtung aufweist. Die Auswerteelektronik ist dabei dazu ausgestaltet, ein durch die Vorrichtung erzeugtes elektrisches Signal zu messen. Die Auswerteelektronik kann dazu ausgestaltet sein, anhand einer gemessenen Änderung des elektrischen Signals zu erkennen, ob ein Objekt sich der Vorrichtung nähert oder die Vorrichtung berührt. Veränderungen der Auswerteelektronik zur Verbesserung der Signalqualität können in Umfang und

Komplexität verringert werden, was in weiterer Folge auch ein Kostenvorteil sein kann, da durch die Modifikation des

Trägers sichergestellt ist, dass das Wandlerelement ein starkes Signal bereitstellen kann. Es kann somit eine

einfache Auswerteelektronik verwendet werden.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der

Figuren weiter beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Anordnung, die eine Vorrichtung und eine Elektronik aufweist.

Figur 2 zeigt eine Vorrichtung. Figur 3 zeigt eine Vorrichtung, die an einem ersten Ende eingespannt ist, sowie die in der Vorrichtung entstehenden mechanischen Verformungen.

Figur 4 zeigt eine Vergleichsvorrichtung.

Figur 5 zeigt die Ergebnisse einer Messung.

Figur 6 zeigt die Ergebnisse einer Simulation, die mittels der Finite-Element-Methode durchgeführt wurde.

Figur 7 und Figur 8 zeigen die Ergebnisse weiterer

Simulationen .

Figur 9 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel .

Figur 10 zeigt eine Draufsicht auf die in Figur 9 gezeigte Vorrichtung .

Figur 1 zeigt eine Anordnung, die eine Vorrichtung 1 und eine Elektronik 2 aufweist. Die in Figur 1 gezeigte Anordnung kann als Sensorsystem und/oder als Aktuatorsystem betrieben werden .

Für den Betrieb als Sensorsystem ist die Vorrichtung 1 dazu ausgestaltet, ein physikalisches Eingangssignal in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln. Das physikalische Eingangssignal ist beispielsweise eine Kraft, die auf die Vorrichtung 1 wirkt. Die Vorrichtung 1 weist unter anderem ein piezoelektrisches Wandlerelement 3 auf. Das

piezoelektrische Wandlerelement 3 wandelt basierend auf dem piezoelektrischen Effekt das physikalische Eingangssignal in ein elektrisches Ausgangssignal um, das von der Vorrichtung 1 an die Elektronik 2 übergeben wird.

Die Elektronik 2 ist dazu ausgestaltet, dass elektrische Ausgangssignal der Vorrichtung 1 weiterzuverarbeiten.

Beispielsweise kann die Elektronik 2 dazu ausgestaltet sein, das von der Vorrichtung 1 erzeugte elektrische Ausgangssignal auszuwerten und in ein digitales Signal umzuwandeln.

Für den Betrieb als Aktuatorsystem wird von der Elektronik 2 ein elektrisches Eingangssignal an die Vorrichtung 1

übergeben. Das piezoelektrische Wandlerelement 3 wandelt das elektrische Eingangssignal in eine mechanische Verformung um, die die Aktuatorfunktion erfüllt.

In der hier beschriebenen Anordnung können die Anforderungen an eine Signalverarbeitung in der Elektronik 2 gering

gehalten werden, da die Vorrichtung 1 dazu ausgestaltet ist, im Sensorbetrieb eine starkes Antwortsignal als elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen und im Aktuatorbetrieb eine starke mechanische Verformung des piezoelektrischen

Wandlerelements 3 als Aktuatorsignal zu erzeugen. Das starke Antwortsignal beziehungsweise das starke Aktuatorsignal werden insbesondere durch eine geeignete Wahl der

Eigenschaften eines Trägers 4 der Vorrichtung 1 erreicht.

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 weist das piezoelektrische

Wandlerelement 3 sowie den Träger 4 auf. Das piezoelektrische Wandlerelement 3 ist unmittelbar auf dem Träger 4 angeordnet. Eine Unterseite des piezoelektrischen Wandlerelements 3 liegt an einer Oberseite des Trägers 4 an. Das piezoelektrische Wandlerelement 3 und der Träger 4 sind mechanisch miteinander verbunden. Insbesondere bilden das piezoelektrische

Wandlerelement 3 und der Träger 4 einen Verbund und können nur gemeinsam verformt, z.B gebogen, werden.

Das piezoelektrische Wandlerelement 3 weist eine

piezoelektrische Schicht 5, eine obere Elektrode 6 und eine untere Elektrode 7 auf, wobei die piezoelektrische Schicht 5 zwischen der unteren Elektrode 6 und der oberen Elektrode 7 angeordnet ist. Bei Aktuatorbetrieb wird zwischen den beiden Elektroden 6, 7 eine Spannung angelegt, die eine mechanische Verformung der piezoelektrischen Schicht 5 bewirkt. Im

Sensorbetrieb kann die piezoelektrische Schicht 5 durch eine von außen auf die Vorrichtung 1 einwirkende Kraft verformt werden und infolgedessen eine elektrische Spannung erzeugen, die an den Elektroden 6, 7 abgegriffen wird.

Die piezoelektrische Schicht 5 kann ein ferroelektrisches Polymer aufweisen oder aus einem ferroelektrischen Polymer bestehen. Ferroelektrische Polymere weisen die mechanischen Eigenschaften eines Kunststoffes auf und verbinden diese mit den elektrischen Eigenschaften von keramischen Werkstoffen. Eine Schicht aus einem ferroelektrischen Polymer kann durch Siebdruck, Schablonendruck oder Inkjet-Druck hergestellt werden. Alternativ kann eine Schicht aus einem

ferroelektrischen Polymer durch Aufdampfen oder Sputtern oder mittels einer Rakel hergestellt werden. Die genannten

Verfahren benötigen jeweils einen Träger 4, auf dem das piezoelektrische Wandlerelement aufgebracht wird.

Alternativ kann die piezoelektrische Schicht 5 auch ein piezoelektrisches Keramikmaterial aufweisen oder aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial bestehen. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht 5 auch ein Verbundmaterial aus einer Polymermatrix und einem piezoelektrischen

Keramikmaterial aufweisen oder aus einem derartigen

Verbundmaterial bestehen.

Der Träger 4 kann aus einem Kunststoff, beispielsweise

Polyimid, PET oder PEN bestehen.

Der Träger 4 bestimmt die mechanischen und elektrischen

Eigenschaften des Verbunds aus piezoelektrischem

Wandlerelement 3 und Träger 4 wesentlich mit. Durch geeignete Wahl der strukturellen Eigenschaften des Trägers 4,

beispielsweise wie seiner Dicke, seines Elastizitätsmoduls und des Materials, werden die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Verbunds bestimmt. Dieser Zusammenhang wird anhand von Figur 3 näher erläutert, die eine Vorrichtung 1 zeigt, auf die eine äußere Kraft F wirkt.

Die in Figur 3 gezeigte Vorrichtung 1 ist an einem ersten Ende 8 eingespannt. Die Kraft F wirkt auf ein dem ersten Ende 8 gegenüberliegendes zweites Ende 9 der Vorrichtung 1. Es handelt sich bei der Vorrichtung 1 somit um einen einseitig eingespannten Balken. Die Vorrichtung 1 ist jedoch keineswegs auf derartige Ausgestaltungen eingeschränkt. Alternativ könnte die Vorrichtung 1 beispielsweise am ersten und zweiten Ende 8, 9 eingespannt sein und ein mittlerer Bereich der Vorrichtung 1, der zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angeordnet ist, könnte in Folge einer auf die Vorrichtung 1 wirkenden Kraft durchgebogen werden.

Das piezoelektrische Wandlerelement 3 und der Träger 4 verbiegen sich infolge der auf die Vorrichtung 1 wirkenden Kraft, wobei das piezoelektrische Wandlerelement 3 und der Träger 4 am zweiten Ende 9 bewegt werden und am ersten Ende 8 unbewegt bleiben. Das piezoelektrische Wandlerelement 3, das an einer Oberseite der Vorrichtung 1 angeordnet ist, wird durch die Verbiegung gedehnt, d.h. die Länge von dem ersten Ende 8 bis zum zweiten Ende 9 wird vergrößert. Eine

Unterseite des Trägers 4, die vom piezoelektrischen

Wandlerelement 3 wegweist, wird durch die Verbiegung

gestaucht, d.h. die Länge von dem ersten Ende 8 bis zum zweiten Ende 9 wird verringert.

Durch Pfeile ist in Figur 3 die mechanische Spannung

angedeutet, die lokal an verschiedenen Positionen innerhalb der Vorrichtung 1 entsteht. Figur 3 zeigt, dass nahe der Oberseite und nahe der Unterseite der Vorrichtung besonders hohe mechanische Spannungen entstehen und dass die

entstehenden mechanischen Spannungen hin zu einer neutralen Faser 10, die mittig in der Vorrichtung 1 angeordnet ist, abnehmen. Die neutrale Faser 10 bezeichnet die Ebene der Vorrichtung 1, die infolge der einwirkenden Spannung keine Längenänderung erfährt. Die genaue Lage der neutralen Faser 10 ist nicht zwangsläufig in der geometrischen Mitte des piezoelektrischen Wandlerelementes 3, sondern wird von den Elastizitätsmodulen und den geometrischen Ausführungen des piezoelektrischen Wandlerelementes 3 und des Trägers 4 beeinflusst .

In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die neutrale Faser 10 in dem Träger 4 und weit entfernt von dem piezoelektrischen Wandlerelement 3 angeordnet. Das

piezoelektrische Wandlerelement 3 erfährt über sein gesamtes Volumen eine Längenänderung und im gesamten Volumen wird eine elektrische Spannung erzeugt. Figur 4 zeigt eine Vergleichsvorrichtung, bei der der Träger gegenüber der in Figur 3 gezeigten Vorrichtung dünner ist. Durch den dünner ausgestalteten Träger verschiebt sich die neutrale Faser in das piezoelektrische Wandlerelement. Das piezoelektrische Wandlerelement erfährt infolge der auf die Vorrichtung einwirkenden Kraft bei der in Figur 4 gezeigten Vergleichsvorrichtung eine deutlich geringere mechanische Spannung als bei dem in Figur 3 gezeigten

Ausführungsbeispiel. Dementsprechend wird bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel in der piezoelektrischen

Schicht nur eine geringere elektrische Spannung erzeugt und das von der Vorrichtung erzeugte elektrische Ausgangssignal ist kleiner gegenüber der in Figur 3 gezeigten Vorrichtung.

Der Vergleich der Vorrichtungen in Figur 3 und 4 zeigt, dass durch eine geeignete Wahl der Dicke des Trägers 4

sichergestellt werden kann, dass die piezoelektrische Schicht 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 3 eine hohe

mechanische Spannung erfährt. Auf diese Weise wird ein starkes elektrisches Ausgangssignal der Vorrichtung 1 im Sensorbetrieb gewährleistet. Im Aktuatorbetrieb wird durch einen ausreichend dicken Träger 4 eine starke mechanische Verformung der Vorrichtung 1 ermöglicht

Die Dicke des Trägers 4 sollte zumindest so groß sein, dass die neutrale Faser 10 innerhalb des Trägers 4 liegt. Je dicker der Träger 4 ausgestaltet wird, umso tiefer kann die neutrale Faser 10 in den Träger 4 verschoben werden und umso stärker kann das vom piezoelektrischen Wandlerelement 3 erzeugte Signal sein.

Der Einfluss der Trägergeometrie auf das Signal, das von dem piezoelektrischen Wandlerelement 3 bereitgestellt wird, wurde in einer Vergleichsmessung anhand von zweier Vorrichtungen 1 mit baugleichen piezoelektrischen Wandlerelementen 3

untersucht. Figur 5 zeigt die Ergebnisse der

Vergleichsmessung .

Beide Vorrichtungen 1 weisen jeweils eine Länge von 20 mm und eine Breite von 10 mm auf. Die Länge gibt die Ausdehnung vom ersten Ende 8 zum zweiten Ende 9 an. Die Breite gibt die Ausdehnung in eine dazu senkrechte Richtung an. Die Dicke der Vorrichtung 1 gibt eine Ausdehnung der Vorrichtung 1 in eine Stapelrichtung an, in der der Träger 4 und das

piezoelektrische Wandlerelement 3 übereinander gestapelt sind. Die Dicke ist senkrecht zur Breite und zur Länge.

Beide Vorrichtungen 1 weisen ein piezoelektrisches

Wandlerelement 3 mit einer piezoelektrischen Schicht 5, die aus einem ferroelektrischen Polymer, PVDF:TrFE, in einer Dicke von 10 gm besteht, auf. Die untere Elektrode 7 besteht aus PEDOT:PSS und die obere Elektrode 6 besteht aus Carbon. Für beide Vorrichtungen 1 wurde ein Träger 4 bestehend aus Polyimid verwendet. Die beiden Vorrichtungen 1 unterscheiden sich lediglich in der Dicke des Trägers 4. Die erste

Vorrichtung 1 weist einen Träger 4 mit einer Dicke von 75 gm auf. Die zweite Vorrichtung 1 weist einen Träger 4 mit einer Dicke von 25 pm auf. Beide Vorrichtungen 1 wurden in einem Teststand mit gleicher Verformungsgeschwindigkeit über den gleichen Verformungsweg verformt. Die

Verformungsgeschwindigkeit betrug 0,4 m/s und der

Verformungsweg 4 mm.

In Figur 5 ist in Kurve Kl das elektrische Ausgangssignal der ersten Vorrichtung 1 und in Kurve K2 das elektrische

Ausgangssignal der zweiten Vorrichtung 1 aufgetragen. Dabei ist auf der horizontalen Achse die Zeit in Sekunden

aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist das elektrische Ausgangssignal in Volt aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass das elektrische Ausgangssignal der ersten Vorrichtung 1 bei gleicher Deformation und gleichen Eigenschaften des

piezoelektrischen Wandlerelementes 3 deutlich größer ist. Insbesondere beträgt das elektrische Ausgangssignal der ersten Vorrichtung 1 das etwa 9-Fache des elektrischen

Ausgangssignals der zweiten Vorrichtung 1. Das deutlich höhere elektrische Ausgangssignal der ersten Vorrichtung ergibt sich daraus, dass bei der ersten Vorrichtung im

Vergleich zur zweiten Vorrichtung die neutrale Faser 10 eine günstigere Lage hat. Bei der ersten Vorrichtung ist auf Grund der höheren Dicke des Trägers 4 die neutrale Faser 10 weiter von dem piezoelektrischen Wandlerelement 3 weg angeordnet und das piezoelektrische Wandlerelement 3 erfährt eine stärkere Verformung .

Figur 6 zeigt die Ergebnisse einer Simulation, die mittels der Finite-Element-Methode durchgeführt wurde. Bei der

Simulation werden zwei Vorrichtungen 1 betrachtet, die jeweils ein piezoelektrisches Wandlerelement 4 mit einer piezoelektrischen Schicht 5 aus PVDF:TrFE aufweisen. Der Träger 4 besteht bei beiden Vorrichtungen 1 aus Polyimid. Der Träger 4 einer zweiten Vorrichtung 1 weist im Vergleich zu dem Träger 4 einer ersten Vorrichtung 1 eine fünffache mechanische Festigkeit auf.

Auf der horizontalen Achse ist die Zeit in ms aufgetragen.

Auf der vertikalen Achse ist die Ausgangsspannung in V aufgetragen. Die Kurve K3 zeigt die Höhe der elektrischen Spannung, die von dem piezoelektrischen Wandlerelement 3 der zweiten Vorrichtung 1 über die Zeit einer Deformierung erzeugt wird. Die Kurve K4 zeigt die elektrische Spannung, die von dem piezoelektrischen Wandlerelement 3 der ersten Vorrichtung 1 über die Zeit der Deformierung erzeugt wird. Beide Vorrichtungen werden um die gleiche Strecke deformiert. Die zweite Vorrichtung erzeugt eine höhere Spannung in ihrem Ausgangssignal. Da bei der zweiten Vorrichtung die

mechanische Festigkeit des Trägers 4 größer ist, wird die neutrale Faser 10 tiefer in den Träger 4 hinein verschoben und damit weiter von dem piezoelektrischen Wandlerelement 3 weg. Dementsprechend erfährt das piezoelektrische

Wandlerelement 3 eine größere mechanische Verformung und erzeugt daher eine höhere Spannung.

Figur 7 und Figur 8 zeigen die Ergebnisse einer weiteren Simulation. In den Figuren 7 und 8 wird jeweils die

mechanische Spannung betrachtet, die bei einer als einseitig eingespannter Balken ausgestalteten Vorrichtung 1 lokal innerhalb der Vorrichtung entsteht. Es werden dabei zwei baugleiche Balken betrachtet, die um die gleiche Strecke ausgelenkt werden. Der in Figur 7 gezeigte Balken

unterscheidet sich jedoch von dem in Figur 8 gezeigten Balken in dem Elastizitätsmodul des Trägers 4. Bei dem in Figur 7 betrachteten Balken weist der Träger 4 eine geringere

Festigkeit auf. Ein Vergleich der Figuren 7 und 8 zeigt, dass bei gleicher Bauart und gleicher Auslenkung in dem

piezoelektrischen Wandlerelement 3, das auf einem Träger 4 mit hoher Festigkeit aufgebracht ist, höhere mechanische Spannungen und damit höhere elektrische Spannungen erzeugt werden. Durch eine geeignete Wahl der mechanischen Festigkeit bzw. des Elastizitätsmoduls des Trägers 4 kann sichergestellt werden, dass das piezoelektrische Wandlerelement 3 ein gutes Ausgangssignal liefert bzw. bei Aktuatorbetrieb eine starke mechanische Verformung bewirkt. Figur 9 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1. Die in Figur 9 gezeigte Vorrichtung 1

unterscheidet sich von der in Figur 2 gezeigten Vorrichtung in dem Material des Trägers 4. Die in Figur 9 gezeigte

Vorrichtung weist einen Träger aus einem leitfähigen Material auf, beispielsweise einen metallischen Träger.

Eine separate untere Elektrode 7 des piezoelektrischen

Wandlerelementes 3 ist in diesem Fall nicht erforderlich. Vielmehr kann ein Material des Trägers 4 die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 5 des

piezoelektrischen Wandlerelementes 3 übernehmen. Die

piezoelektrische Schicht 5 kann dann direkt auf dem Träger 4 aufgebracht werden. Der Träger 4 weist Kontaktflächen 11 auf, über die eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Die Kontaktflächen 11 bestehen aus einem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial, beispielsweise Silber oder

Silberepoxidharz .

Figur 10 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite der

Vorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Elektronik

3 piezoelektrisches Wandlerelement

4 Träger

5 piezoelektrische Schicht

6 obere Elektrode

7 untere Elektrode

8 erstes Ende

9 zweites Ende

10 neutrale Faser

11 Kontaktfläche F Kraft

Kl Kurve

K2 Kurve

K3 Kurve

K4 Kurve