WO2012122975A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer piezoaktorenkomponente - Google Patents

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WO2012122975A2
WO2012122975A2 PCT/DE2012/100051 DE2012100051W WO2012122975A2 WO 2012122975 A2 WO2012122975 A2 WO 2012122975A2 DE 2012100051 W DE2012100051 W DE 2012100051W WO 2012122975 A2 WO2012122975 A2 WO 2012122975A2
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windings
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Sebastian Mojrzisch
Ilja GORELIK
Marcus Neubauer
Florian Schiedeck
Andreas Renner
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Leibniz Universitaet Hannover
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Leibniz Universitaet Hannover
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/067—Forming single-layered electrodes of multilayered piezoelectric or electrostrictive parts

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piezoelectric actuator component with a layer structure of a plurality of layers of an active material, in particular a piezoceramic, and each arranged between the layers of an active material conductive electrodes consisting of a plurality of parallel conductors, and an apparatus for producing a piezoelectric actuator.
  • piezo actuators in industry are expanding. If electromagnets have been used in the past, the advantages of piezoelectric elements are in particular the speed of movement and the continuous loadability. Common rail piezo injectors in diesel engines, for example, are no longer conceivable without piezo elements.
  • Piezo actuators usually consist of a plurality of piezo elements arranged in a stack. Each of these elements in turn consists of a piezoceramic layer, which is provided on both sides with metallic electrodes. If a voltage is applied to these electrodes, the piezoceramic layer reacts with a lattice distortion, which leads along a main axis to a usable linear expansion.
  • the type of deformation thus depends on the direction of the applied field relative to the poling direction of the ceramic.
  • the d 3 i effect is only about one-third the size of the d 33 effect, ie the deformation in the field direction.
  • the aim is usually to use the d 33 effect.
  • the d 33 effect is used, the mechanical force acting parallel to the applied field.
  • the electrodes required for this purpose consist of two intermeshing electrode combs, each with positive and negative potential. These electrodes are referred to as "interdigital electrodes" (IDE).
  • the length is not determined by the number of levels. Rather, the planes are parallel to the longitudinal extent, so that the length is determined by mere trimming.
  • the electrodes as a separate component, here a wire, are parallel to the planes of the electrodes.
  • customary production methods for producing such piezoelectric actuator components are printing and foiling, wherein sputtering is used.
  • an electrode is produced in the printing process, wherein a conductive, later curing in the sintering process medium is applied, which later forms the electrode.
  • a conductive, later curing in the sintering process medium is applied, which later forms the electrode.
  • individual layers are produced by sputtering and then introduced layer by layer into the ceramic layers to be excited.
  • the electrode layers are produced by vapor deposition.
  • the individual layers are offset from one another during the stacking process.
  • US 2005/0120528 A1 describes the application of conductive metal layers in the form of a paste, similar to the production of the ceramic layers.
  • DE 689 26 166 T2 describes a method for producing a piezoelectric stacking device.
  • wire nets are used as electrodes, which are introduced as layers into the ceramic elements
  • electrode arrangements are described from parallel bars, which are then introduced into the ceramic elements.
  • WO 2007/104784 A1 relates to a method for producing a monolithic multilayer actuator, wherein the inner electrodes of both polarities are applied as interconnects on each active film, the laminating directions of all active films are arranged at right angles to the longitudinal axis of the multilayer actuator and the films together with the inner electrodes in one cofiring process in which the internal electrodes are completely laminated and sintered together with the ceramic.
  • multi-layer actuators d 33 actuators
  • valve actuators high altitude can be easily manufactured.
  • the internal electrodes are incorporated as conductor tracks with the finest possible conductors in the actuators.
  • the inner electrodes of both polarities are comb-like, each with a base conductor and formed by this substantially perpendicular outgoing comb conductors, wherein the comb conductor tracks of both polarities intermesh so that each Kammleiterbahn one polarity between two Kammleiterbahnen the other polarity is arranged except for the edge region of the films.
  • These comb-shaped interlocking internal electrodes form interdigital electrodes.
  • the base conductor tracks are preferably arranged adjacent to opposite sides of the film.
  • WO 01/35468 A2 relates to a method for producing a piezoelectric transducer, which consists of piezoelectric fibers in a polymer matrix and are applied to the electrodes for driving the fibers.
  • the enveloping of the piezoelectric fibers is carried out with a liquid polymer composition such that there is no parallel alignment in the polymer mass, but a distribution of longitudinal axes of at least portions of the fibers or fiber pieces to the preferred direction, wherein the fibers or fiber pieces are compacted before curing with each other ,
  • All known from the prior art methods are time-consuming and costly in terms of their implementation. For example, sputtering requires special atmospheres and has low coating rates.
  • the surface to be sputtered must be specially cleaned and may be damaged during the process.
  • the printing process in turn, in particular the screen printing process, can not produce the necessary for the IDE actuators thin printed conductors, as the pressing of the layers leads to a lateral displacement of the metal paste.
  • the object of the invention is thus to provide a method and a device for producing a piezoelectric actuator component which offers economic advantages over the prior art.
  • the first object is achieved by a method according to the features of claim 1.
  • the further embodiment of the invention can be taken from the subclaims.
  • the production of a piezoelectric actuator component takes place in that a plurality of, in particular, parallel, mutually spaced sections of a wire are wound as windings on a winding body which rotates about an axis of rotation, wherein the desired spacing of the adjacent turns is fixed and the windings are subsequently interrupted such that a plurality of parallel sections of the wire of different turns form the electrodes associated with a layer.
  • the parallel wires can be produced by the method according to the invention in a surprisingly simple manner in that they are first produced as a plurality of turns of a single wire as a winding on the winding body and then corresponding to the desired dimensions along the circumference of the layer surface be separated.
  • the invention is therefore also based on the surprising finding that the production of wires of the electrodes arranged in a common plane does not require fabrication on a flat base by arranging a plurality of individual wires, but rather the principle of a winding for the first time a considerably more economical one Production permitted.
  • the windings on the circumference of the winding body for example, on strips which extend substantially parallel to the axis of rotation, and between which the turns of the wire according to its bias in a common plane, preferably without further support extend. In this way, electrodes can be produced or separated from a multiplicity of parallel, single-layer windings.
  • the wire could be fed by means of the wire guide such that it extends in a plane not perpendicular to the axis of rotation of the winding body, so that solely by the orientation of the wire feed the parallel spaced course of the turns results.
  • a modification of the method in which the wire guide for adjusting the spacing of the adjacent turns during the winding process, in particular parallel to the axis of rotation, for example, is continuously or continuously moved is particularly advantageous.
  • the spacing of the adjacent windings, in particular also for each turn is achieved in a simple manner by the movement of the wire guide, which can be arranged to be movable or pivotable along an axis parallel to the axis of rotation of the winding body.
  • the movement of the wire guide is preferably carried out continuously or continuously, so as to achieve a constant distance for all turns.
  • the oblique course of the turns with respect to the cross-sectional plane can be taken into account accordingly in the subsequent relative orientation of the layers to the wires.
  • a non-rotationally symmetrical winding with a particularly polygonal cross-sectional shape is generated on the winding body.
  • Each of these sections of the winding winding between the support points on the winding body forms the desired comb-like electrode, which would only have to be interconnected.
  • the parallel orientation created by the winding process is determined only by the fixation of the wires in their respective end region before separating out the corresponding regions from the winding.
  • the method is not limited to a specific format electrodes to be produced. Rather, each turn can be separated several times according to the format to be produced, so that a universal use of the winding in a desired electrode format can be achieved.
  • the windings are simultaneously mounted on a plurality of flat, releasably arranged on the winding body support frame.
  • the prerequisites for economical production of piezoelectric actuator components are created by combining the required parallel conductors on the support frame into a structural unit and, in a largely automated subsequent method step, in each case being used for the layer construction with alternating layers of the active material.
  • each support frame preferably has opposing support frames, on which the parallel turns are fixed to a molding.
  • the support frame are for example provided with a groove-shaped recess which is spanned by the turns and in which the wire by means of an adhesion or a Clamp connection is fixed.
  • the joint is separated between the layers of active material following the attachment of the electrodes and the wire debris is released from the molding.
  • a layer of the active material is applied to the winding body in a first step, then applied a winding with several parallel turns on this layer of active material, which finally on the parallel, the electrode forming Windings another layer is applied, which fixes the turns, and the windings are separated accordingly, wherein on the outer layer, if necessary, alternately more windings and layers of the active material can be applied.
  • the layer structure arises in a sequence of turns as electrodes and of the active material on the circumference of the wound body.
  • the further ceramic layer is preferably pressed onto the winding, so that the windings can be separated according to the circumference of the covering layer.
  • the wire tension is ensured by the tension created during winding on the winding drum.
  • a constant tension over the entire circumference is achieved, which is not dependent on the angle of rotation, in particular even in the case of a polygonal cross-sectional shape.
  • a transient voltage fluctuation with the result of wireless can be avoided and the positioning accuracy when mounting the parallel windings can be improved.
  • the second-mentioned object of providing a device for carrying out the method is achieved according to the invention in that the device has a rotation axis about one axis has rotatably driven bobbin, on the peripheral side of a receptacle for a releasably fixable support frame and / or is provided for a layer of an active material, and is equipped with a coil for a wire.
  • the production of a layer structure for a piezoelectric actuator component by a winding method is made possible for the first time and in a surprisingly simple manner.
  • the winding body has a polygonal cross-sectional shape.
  • Each of the at least three planar peripheral sections optionally carries a support frame on which the winding is first fixed, so that after the separation of the support frame along its circumference an intermediate product for a further, in particular also automated production is available.
  • the receptacle can also serve directly as the temporary support of a ceramic disk as a layer of the active material, so that the layer structure is formed in layers on the circumference of the winding body.
  • a common winding is simultaneously applied to a plurality of circumferentially arranged ceramic discs. After pressing with a further ceramic disk such that the disks enclose the winding between them, the winding is separated on each side of the ceramic disks. Subsequently, the next winding can be applied to the ceramic disk.
  • the winding body is constructed so adjustable or modular that different support frame and / or a different number of support frame can be fixed to it.
  • the winding body is limited to a hub with holding flanges arranged thereon.
  • an embodiment in which the winding body has a polygonal cross-sectional shape and is thus optimally suited for arranging the receptacle for a releasably fixable supporting frame or the ceramic plates in the respective planar peripheral sections is particularly advantageous.
  • a point-symmetrical with respect to the axis of rotation cross-sectional shape during winding proves to be advantageous in order to reduce the occurring imbalances.
  • the device has a clamping means for transmitting a bias voltage to the wire.
  • a clamping means for transmitting a bias voltage to the wire.
  • the parallelism of the turns can be maintained with reproducible accuracy.
  • a force-controlled control takes place.
  • a rotation angle-dependent control can be realized, in which the polygonal shape and the associated cyclical change of the diameter during a complete revolution is taken into account.
  • this spring preload is provided.
  • the winding body in the direction of the axis of rotation spaced slot-shaped or groove-shaped recesses, by which the distance between adjacent turns is defined.
  • comb-like recesses take the wire, for example, a form-fitting manner and thus ensure an exact distance of adjacent turns.
  • the recesses may also be arranged on a releasably and exchangeably connected with the winding body shaped body.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an apparatus according to the invention for producing a piezoelectric actuator component.
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a coil and a clamping means of
  • Fig. 3 is a perspective view of the device
  • the method and the device 1 for producing a piezoelectric actuator component 2 are explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 4.
  • the piezoactuator component 2 to be produced comprises a layer structure comprising a plurality of layers of an active material 3, in particular a piezoceramic, and in each case an electrode 4 arranged between two layers of the active material 3, comprising sections of a plurality of turns 5 of a single wire 6 spaced parallel to one another.
  • the manufacturing method is based on the surprising finding that a winding method allows an economical production of the planar layer structure.
  • an existing from a metal frame support frame 7 is covered with a plurality of turns 5 of the wire 6, wherein the support frame 7 are locked to a bobbin 8, for example by magnets.
  • the turns 5 are fixed to opposite frame parts of the support frame 7 at 9 formations by gluing, welding or soldering.
  • the covered support frames 7 can be used for the production of piezo actuators in industrial le, in particular automated manufacturing processes are involved.
  • the covered support frame 7 can be manufactured separately as semi-finished products, so that in a later manufacturing process, the support frame 7 are pressed only with their biased wires in ceramic elements.
  • the winding body 8 of the device 1 is connected by means of an endless drive belt 10 with an electric drive 1 1.
  • a wire guide 12 of the device 1 is arranged to be movable substantially parallel to a rotation axis 13 of the winding body 8 by means of a threaded spindle 14. According to the feed rate of the wire guide 12 in relation to the rotational speed of the bobbin 8 so the distance of the turns 5 is set.
  • dowel pins for exact positioning of the support frame 7 are provided.
  • the winding body 8 can in principle accommodate any number of support frame 7 on the outside so as to be able to produce a plurality of comb-like supporting frame 7 with a single winding.
  • the wire guide 12 has a wire nozzle 17 with an inside high surface hardness, so as to reduce the friction between the wire 6 and the wire nozzle 17.
  • this design ensures that the wire 6 does not get dirty.
  • a diamantene inside can be provided here.
  • the wire 6 provided on a coil 18, which can have both a round and a rectangular cross-sectional shape is biased within its elastic region with a biasing force F counter to the winding, which is achieved by the biasing unit 19 is guaranteed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente mit einem Schichtaufbau mehrerer Schichten eines aktiven Materials, insbesondere eine Piezokeramik, und mit jeweils zwischen den Schichten eines aktiven Materials angeordneten leitfähigen Elektroden. Hierzu werden eine Vielzahl insbesondere paralleler, zueinander beabstandeter Abschnitte eines Drahtes als Windungen (5) auf einem Wickelkörper (8) aufgewickelt, wobei die Windungen (5) nach der Fixierung unterbrochen werden. Auf diese Weise bilden mehrere parallele Abschnitte des Drahtes (6) verschiedener Windungen (5) die Elektrode. Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren in überraschend einfacher Weise die parallelen Drähte (6) dadurch hergestellt werden können, dass diese zunächst als eine Vielzahl von Windungen eines einzigen Drahtes (6) als Wicklung auf dem Wickelkörper (8) erzeugt und anschließend den gewünschten Abmessungen entsprechend entlang des Umfangs der Schichtfläche getrennt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente mit einem Schichtaufbau mehrerer Schichten eines aktiven Materials, insbesondere eine Piezokeramik, und mit jeweils zwischen den Schichten eines aktiven Materials angeordneten leitfähigen Elektroden bestehend aus einer Vielzahl paralleler Leiter, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente.
Der Einsatz von Piezoaktoren in der Industrie expandiert. Wurden in der Vergangenheit Elektromagnete verwendet, liegen die Vorzüge von Piezoelementen insbesondere bei der Schnelligkeit der Bewegung und der Dauerbelastbarkeit. Common-Rail-Piezoinjektoren in Dieselmotoren beispielsweise sind ohne Piezoelemente nicht mehr denkbar. Piezoaktoren bestehen üblicherweise aus mehreren, in einem Stapel angeordneten Piezoelementen. Jedes dieser Elemente wiederum besteht aus einer Piezokeramikschicht, die beiderseits mit metallischen Elektroden versehen ist. Wird an diese Elektroden eine Spannung angelegt, reagiert die Piezokeramikschicht mit einer Gitterverzerrung, die entlang einer Hauptachse zu einer nutzbaren Längenausdehnung führt. Da diese wiederum weniger als zwei Promille der Schichtdicke entlang der Hauptachse beträgt, muss zur Erzielung einer gewünschten absoluten Längenausdehnung eine entsprechend höhere Schichtdicke aktiver Piezokeramik bereitgestellt werden. Mit zunehmender Schichtdicke der Piezokeramikschicht eines einzelnen Piezoelements steigt jedoch auch die zum Ansprechen des Piezoelements erforderliche Spannung. Folglich müssen mehrere mit Elektroden versehene Piezoelemente übereinander gestapelt werden. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes beispielsweise in Polungsrichtung an die Keramik dehnt sich diese in Feldrichtung aus, was als sogenannter Longitudinaleffekt (d33-Effekt) bezeichnet wird, während sie orthogonal dazu kontrahiert (d3i-Effekt). Die Art der Deformation hängt somit von der Richtung des angelegten Feldes relativ zur Polungsrichtung der Keramik ab. Der d3i-Effekt ist etwa nur ein Drittel so groß wie der d33-Effekt, d. h. die Deformation in Feldrichtung. Bei Einsatz piezoelektrischer Keramiken als Aktoren in der Technik wird daher in der Regel angestrebt, den d33-Effekt zu nutzen. Um eine maximale Auslenkung des Aktua- tors gewährleisten zu können, wird daher der d33-Effekt genutzt, wobei die mechanische Kraft parallel zum angelegten Feld wirkt. Die hierfür erforderlichen Elektroden bestehen aus zwei ineinandergreifenden Elektrodenkämmen mit jeweils positivem und negativem Potential. Diese Elektroden werden als "Interdigitale Elektroden" bezeichnet (IDE).
Bei der IDE-Bauform wird die Länge nicht durch die Anzahl der Ebenen bestimmt. Vielmehr liegen die Ebenen parallel zur Längserstreckung, sodass die Länge durch bloßes Zuschnei- den bestimmt wird. Auch die Elektroden als separates Bauteil, hier ein Draht, liegen parallel zu den Ebenen der Elektroden.
In der Praxis übliche Fertigungsverfahren zur Erzeugung solcher Piezoaktorenkomponenten sind das Drucken sowie das Folieren, wobei das Sputtern zum Einsatz kommt.
In einer noch nicht gesinterten, vergleichsweise weichen Keramik wird beim Druckverfahren eine Elektrode erzeugt, wobei ein leitfähiges, später im Sinterprozess aushärtendes Medium aufgetragen wird, welches später die Elektrode bildet. Beim Folieren werden einzelne Schichten durch Sputtern erzeugt und dann Schicht für Schicht in die anzuregenden Kera- mikschichten eingebracht.
In der US 5,1 13,566 A werden zum Beispiel die Elektrodenschichten durch Aufdampfen erzeugt. Die einzelnen Schichten werden beim Stapelvorgang gegeneinander versetzt. Die US 2005/0120528 A1 beschreibt das Auftragen leitender Metallschichten in Form einer Paste, ähnlich der Herstellung der Keramikschichten.
Die DE 689 26 166 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Stapelvorrichtung. Hierbei werden zum einen Drahtnetze als Elektroden verwendet, die als Schichten in die Keramikelemente eingebracht werden, zum anderen werden Elektrodenanordnungen aus parallel verlaufenden Stäben beschrieben, die anschließend in die Keramikelemente eingebracht werden. Die WO 2007/104784 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Viel- schichtaktors, wobei auf jeder aktiven Folie die Innenelektroden beider Polaritäten als Leiterbahnen aufgebracht, die Schichtungsrichtungen aller aktiven Folien rechtwinklig zur Längsachse des Vielschichtaktors angeordnet und die Folien mit den Innenelektroden zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert werden, bei dem die Innenelektroden komplett einlaminiert und zusammen mit der Keramik gesintert werden.
Dadurch, dass auf jeder aktiven Folie die Innenelektroden beider Polaritäten als Leiterbahnen angeordnet, die Schichtungsrichtungen aller aktiven Folien rechtwinklig zur Längsachse des Vielschichtaktors angeordnet und die Folien mit den Innenelektroden zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert sind, können Vielschichtaktoren (d33-Aktoren) mit einer zum Beispiel für Ventilantriebe benötigten großen Höhe einfach gefertigt werden. Die Innenelektroden sind als Leiterbahnen mit möglichst feinen Leitern in die Aktoren eingebracht. Die Innenelektroden beider Polaritäten sind kammartig mit jeweils einer Basisleiterbahn und mit von dieser im Wesentlichen rechtwinklig ausgehenden Kammleiterbahnen ausgebildet, wobei die Kammleiterbahnen beider Polaritäten so ineinandergreifen, dass bis auf den Randbereich der Folien jede Kammleiterbahn einer Polarität zwischen zwei Kammleiterbahnen der anderen Polarität angeordnet ist. Diese kammförmig ineinander greifenden Innenelektroden bilden interdigitale Elektroden. Bevorzugt sind die Basisleiterbahnen angrenzend an sich gegenüberliegenden Seiten der Folie angeordnet.
Ferner betrifft die WO 01/35468 A2 ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers, der aus piezoelektrischen Fasern in einer Polymermatrix besteht und auf dem Elektroden zur Ansteuerung der Fasern aufgebracht sind. Dabei erfolgt das Umhüllen der piezoelektrischen Fasern mit einer flüssigen Polymermasse derart, dass sich in der Polymermasse keine parallele Ausrichtung, sondern eine Verteilung von Längsachsen zumindest von Abschnitten der Fasern oder Faserstücke um die Vorzugsrichtung ergibt, wobei die Fasern oder Faserstücke vor dem Aushärten untereinander verdichtet werden. Sämtliche aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren sind im Hinblick auf ihre Durchführung zeit- und kostenaufwendig. So benötigt das Sputtern spezielle Atmosphären und weist niedrige Beschichtungsraten auf. Die zu sputternde Oberfläche muss speziell gereinigt werden und kann während des Vorgangs beschädigt werden. Die Druckverfahren wiederum, insbesondere das Siebdruckverfahren, kann die für die IDE-Aktoren notwendigen dünnen Leiterbahnen nicht erzeugen, da das Pressen der Lagen zu einer seitlichen Verdrängung der Metallpaste führt. Selbst wenn als Elektroden Drähte verwendet werden, müssen diese auf- wendig zu Geflechten verarbeitet werden. Drahtgeflechte müssen erst hergestellt werden und können nicht kostengünstig als Halbfertigerzeugnisse bezogen werden.
Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente, die gegenüber dem Stand der Technik ökonomische Vorteile bietet.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprü- chen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung einer Piezoaktorenkomponente dadurch, dass eine Vielzahl insbesondere paralleler, zueinander beabstandeter Abschnitte eines Drahtes als Windungen auf einem Wickelkörper aufgewickelt werden, der um eine Rotationsachse ro- tiert, wobei der gewünschte Abstand der benachbarten Windungen fixiert wird und die Windungen anschließend unterbrochen werden, sodass mehrere parallele Abschnitte des Drahtes verschiedener Windungen die einer Schicht zugeordneten Elektroden bilden. Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren in überraschend einfacher Weise die parallelen Drähte dadurch hergestellt werden können, dass diese zunächst als eine Vielzahl von Windungen eines einzigen Drahtes als Wicklung auf dem Wickelkörper erzeugt und anschließend den gewünschten Abmessungen entsprechend entlang des Umfangs der Schichtfläche getrennt werden. Es versteht sich von selbst, dass der Draht zuvor entsprechend fixiert wurde, sodass die durch die Windungen erzeugte parallele Anordnung entsprechend eingehalten werden kann. Der Erfindung liegt somit auch die überraschende Erkennt- nis zugrunde, dass die Herstellung in einer gemeinsamen Ebene angeordneter Drähte der Elektroden nicht etwa auch eine Fertigung auf einer ebenen Unterlage durch Anordnung einer Vielzahl von Einzeldrähten erfordert, sondern vielmehr das Prinzip einer Wicklung erstmals eine wesentlich ökonomischere Herstellung gestattet. Zu diesem Zweck liegen die Windungen am Umfang des Wickelkörpers beispielsweise auf Leisten auf, die im Wesentli- chen parallel zu der Rotationsachse verlaufen, und zwischen denen die Windungen des Drahtes entsprechend seiner Vorspannung in einer gemeinsamen Ebene, vorzugsweise ohne weitere Auflage, verlaufen. Auf diese Weise können Elektroden dabei aus einer Vielzahl paralleler, einlagiger Windungen hergestellt bzw. herausgetrennt werden. Der Draht könnte mittels des Drahtführers derart zugeführt werden, dass dieser in einer zu der Rotationsachse des Wickelkörpers nicht senkrechten Ebene verläuft, sodass sich allein durch die Orientierung der Drahtzuführung der parallel beabstandete Verlauf der Windungen ergibt. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Abwandlung des Verfahrens, bei dem der Drahtführer zur Einstellung des Abstands der benachbarten Windungen während des Wickelvorgangs insbesondere parallel zu der Rotationsachse beispielsweise kontinuierlich bzw. stetig bewegt wird. Hierdurch wird in einfacher Weise der Abstand der benachbarten Win- düngen, insbesondere auch für jede Windung unterschiedlich, durch die Bewegung des Drahtführers erreicht, welcher hierzu entlang einer zu der Rotationsachse des Wickelkörpers parallelen Achse verfahrbar oder auch schwenkbeweglich angeordnet sein kann. Die Bewegung des Drahtführers erfolgt dabei vorzugsweise kontinuierlich bzw. stetig, um so für alle Windungen einen konstanten Abstand zu erreichen. Der in Bezug auf die Querschnittsebene schräge Verlauf der Windungen kann bei der späteren relativen Orientierung der Schichten zu den Drähten entsprechend berücksichtigt werden.
Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn auf dem Wickelkörper eine nicht- rotationssymmetrische Wicklung mit einer insbesondere polygonalen Querschnittsform er- zeugt wird. Jeder dieser Streckenabschnitte der Wicklung zwischen den Auflagepunkten auf dem Wickelkörper bildet die gewünschte kammartige Elektrode, die lediglich noch verschaltet werden müsste. Die durch den Wickelprozess erzeugte parallele Orientierung wird lediglich durch die Fixierung der Drähte in ihrem jeweiligen Endbereich vor dem Heraustrennen der entsprechenden Bereiche aus der Wicklung festgelegt.
Dabei ist das Verfahren nicht auf ein bestimmtes Format herzustellender Elektroden beschränkt. Vielmehr kann jede Windung dem herzustellenden Format entsprechend mehrfach getrennt werden, sodass eine universelle Verwendung der Wicklung in einem gewünschten Elektrodenformat erreicht werden kann.
Weiterhin erweist es sich als besonders praxisnah, wenn die Windungen zugleich auf mehrere ebene, an dem Wickelkörper lösbar angeordnete Tragrahmen angebracht werden. Hierdurch werden die Voraussetzungen für eine ökonomische Fertigung von Piezoaktorenkom- ponenten geschaffen, indem die erforderlichen parallelen Leiter an dem Tragrahmen zu einer Baueinheit zusammengefasst sind und in einem weitgehend automatisierten nachfolgenden Verfahrensschritt jeweils für den Schichtaufbau mit abwechselnden Schichten des aktiven Materials verwendet werden können.
Hierzu hat vorzugsweise jeder Tragrahmen einander gegenüberliegende Tragrahmen, an denen die parallelen Windungen an einer Ausformung fixiert werden. Die Tragrahmen sind dabei beispielsweise mit einer nutenförmigen Ausnehmung ausgestattet, die von den Windungen überspannt wird und in welcher der Draht mittels einer Adhäsions- oder einer Klemmverbindung fixiert wird. Die Verbindung wird im Anschluss an die Festlegung der Elektroden zwischen den Schichten des aktiven Materials getrennt und die Drahtreste aus der Ausformung gelöst. Durch die Festlegung der Windungen an den Ausformungen jedes Tragrahmens können die Tragrahmen durch Trennung der Windungen separiert und die Tragrahmen anschließend zwischen zwei Schichten des aktiven Materials eingebracht werden, ohne dass die parallele Orientierung der Drähte verloren geht. Die Elektroden stehen somit als Zwischenprodukt für eine industrielle Fertigung von Aktoren zur Verfügung, die unabhängig von der Herstellung der Wicklung auf dem Wickelkörper erfolgen kann. Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltung der Erfindung wird in einem ersten Schritt eine Schicht des aktiven Materials auf den Wickelkörper aufgebracht, anschließend eine Wicklung mit mehreren parallelen Windungen auf diese Schicht des aktiven Materials aufgebracht, wonach schließlich auf die parallelen, die Elektrode bildenden Windungen eine weitere Schicht aufgebracht wird, welche die Windungen fixiert, und die Windungen entsprechend getrennt werden, wobei auf die äußere Schicht bedarfsweise abwechselnd weitere Wicklungen und Schichten des aktiven Materials aufgebracht werden können. Hierbei entsteht also der Schichtaufbau in einer Abfolge der Windungen als Elektroden sowie des aktiven Materials auf dem Umfang des Wickelkörpers. Dadurch, dass zugleich mehrere ungesinterte Keramikkomponenten als Schichten des aktiven Materials auf die Umfangsfläche des Wickelkörpers aufgebracht werden, um auf diese gemeinsam eine aus einem einzigen Draht hergestellte Wicklung aufzubringen, wird eine weitere wesentliche Kostenoptimierung erreicht und die Fertigung zugleich wesentlich beschleunigt. Nach dem Anbringen der Wicklung auf der Keramikkomponente wird die weitere Keramikschicht auf die Wicklung vorzugsweise aufgepresst, sodass die Windungen entsprechend dem Umfang der bedeckenden Schicht getrennt werden können.
Die Drahtspannung wird durch die beim Aufwickeln auf der Wickeltrommel entstehende Zugspannung sichergestellt. Besonders Erfolg versprechend ist es hingegen auch, wenn der Draht mit einer vorbestimmten, insbesondere konstanten Vorspannung belastet wird. Hier- durch wird eine über den gesamten Umfang gleichbleibende Zugspannung erreicht, die insbesondere auch bei einer polygonalen Querschnittsform nicht drehwinkelabhängig ist. Dadurch kann auch eine vorübergehende Spannungsschwankung mit der Folge von Drahtlose vermieden und die Positioniergenauigkeit beim Anbringen der parallelen Windungen verbessert werden.
Die zweitgenannte Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung einen um eine Rotationsachse drehbeweglich antreibbaren Wickelkörper aufweist, an dessen Umfangsseite eine Aufnahme für einen lösbar fixierbaren Tragrahmen und/oder für eine Schicht eines aktiven Materials vorgesehen ist, und mit einer Spule für einen Draht ausgestattet ist. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erstmals und in überraschend einfacher Weise die Herstellung eines Schichtaufbaus für eine Piezoaktorenkomponente durch ein Wickelverfahren ermöglicht. Um einen ebenen Schichtaufbau zu erreichen, hat der Wickelkörper eine polygone Querschnittsform. Jeder der zumindest drei ebenen Umfangsabschnitte trägt wahlweise einen Tragrahmen, auf dem die Wicklung zunächst fixiert wird, sodass nach dem Trennen des Tragrahmens entlang seines Umfangs ein Zwischenprodukt für eine weitere, insbesondere auch automatisierte Fertigung zur Verfügung steht. Alternativ kann die Aufnahme auch unmittelbar der vorübergehenden Halterung einer Keramikscheibe als Schicht des aktiven Materials dienen, sodass der Schichtaufbau schichtweise auf dem Umfang des Wickelkörpers entsteht. Hierzu wird zugleich auf mehrere am Umfang angeordnete Keramikscheiben eine gemeinsame Wicklung aufgebracht. Nach dem Verpressen mit einer weiteren Keramikscheibe der- art, dass die Scheiben zwischen sich die Wicklung einschließen, wird die Wicklung jeweils außenseitig der Keramikscheiben getrennt. Anschließend kann auf die Keramikscheibe die nächste Wicklung aufgebracht werden.
In der Praxis ist es sinnvoll, wenn der Wickelkörper derart verstellbar oder modular aufge- baut ist, dass unterschiedliche Tragrahmen und/oder eine unterschiedliche Anzahl von Tragrahmen daran fixiert werden können. Bei einer einfachen Ausführung beschränkt sich der Wickelkörper auf eine Nabe mit daran angeordneten Halteflanschen. Besonders vorteilhaft ist hingegen auch eine Ausgestaltung, bei welcher der Wickelkörper eine polygonale Querschnittsform aufweist und somit in den jeweils ebenen Umfangsabschnitten optimal zur An- Ordnung der Aufnahme für einen lösbar fixierbaren Tragrahmen oder der Keramikplatten geeignet ist. Dabei erweist sich eine in Bezug auf die Rotationsachse punktsymmetrische Querschnittsform beim Wickeln als vorteilhaft, um die auftretenden Unwuchten zu reduzieren. Weiterhin erweist es sich als Erfolg versprechend, wenn die Vorrichtung ein Spannmittel zur Übertragung einer Vorspannung auf den Draht aufweist. Indem der Draht mit einer einstellbaren Vorspannkraft belastet wird, kann die Parallelität der Windungen mit einer reproduzierbaren Genauigkeit eingehalten werden. Insbesondere erfolgt dabei eine kraftgesteuerte Regelung. Alternativ kann auch eine drehwinkelabhängige Regelung realisiert werden, bei welcher die polygonale Formgebung und die damit verbundene zyklische Veränderung des Durchmessers während einer vollständigen Umdrehung berücksichtigt wird. Bei einem einfachen Spannmittel ist hierzu eine Federvorspannung vorgesehen. Weiterhin erweist es sich als besonders Erfolg versprechend, wenn der Wickelkörper in Richtung der Rotationsachse beabstandet angeordnete schlitz- oder nutenförmige Ausnehmungen aufweist, durch die der Abstand benachbarter Windungen definiert ist. Diese kammartigen Ausnehmungen nehmen den Draht beispielsweise formschlüssig auf und sorgen so für einen exakten Abstand benachbarter Windungen. Selbstverständlich können die Ausnehmungen auch an einem mit dem Wickelkörper lösbar und austauschbar verbundenen Formkörper angeordnet sein.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Spule sowie ein Spannmittel der
Vorrichtung;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung;
Fig. 4 einen Schichtaufbau der herzustellenden Piezoaktorenkomponente.
Das Verfahren sowie die Vorrichtung 1 zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente 2 werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Die herzustellende Piezoaktorenkomponente 2 umfasst einen Schichtaufbau mit mehreren Schichten eines aktiven Materials 3, insbesondere eine Piezokeramik, und mit jeweils einer zwischen zwei Schichten des aktiven Materials 3 angeordneten Elektrode 4 aus parallel zueinander beabstandeten Abschnitten einer Vielzahl von Windungen 5 eines einzigen Drahtes 6.
Das Herstellungsverfahren beruht dabei auf der überraschenden Erkenntnis, dass ein Wickelverfahren eine ökonomische Herstellung des ebenen Schichtaufbaus gestattet. Hierzu wird ein aus einem Metallrahmen bestehender Tragrahmen 7 mit einer Vielzahl von Windungen 5 des Drahtes 6 bespannt, wobei die Tragrahmen 7 an einem Wickelkörper 8 beispielsweise durch Magnete arretiert sind. Die Windungen 5 werden an gegenüberliegenden Rahmenteilen des Tragrahmens 7 an Ausformungen 9 durch Kleben, Schweißen oder Löten fixiert. Die bespannten Tragrahmen 7 können zur Herstellung von Piezoaktoren in industriel- le, insbesondere automatisierte Fertigungsverfahren eingebunden werden. Beispielsweise können die bespannten Tragrahmen 7 als Halbzeuge separat hergestellt werden, sodass in einem späteren Herstellungsverfahren die Tragrahmen 7 lediglich mit ihren vorgespannten Drähten in Keramikelemente eingepresst werden.
Der Wickelkörper 8 der Vorrichtung 1 ist mittels eines endlosen Antriebsriemens 10 mit einem elektrischen Antrieb 1 1 verbunden. Ein Drahtführer 12 der Vorrichtung 1 ist im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse 13 des Wickelkörpers 8 mittels einer Gewindespindel 14 verfahrbar angeordnet. Entsprechend der Vorschubgeschwindigkeit des Drahtführers 12 im Verhältnis zu der Drehgeschwindigkeit des Wickelkörpers 8 wird so der Abstand der Windungen 5 eingestellt. Zugleich dienen nutenformige Ausnehmungen 15 in einem Formkörper 16, welcher die ebenen Umfangsbereiche des Wickelkörpers 8 begrenzt, der zuverlässigen Positionierung. An den Umfangsbereichen sind Passstifte zur exakten Positionierung der Tragrahmen 7 vorgesehen.
Der Wickelkörper 8 kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Tragrahmen 7 außenseitig aufnehmen, um so mit einer einzigen Wicklung eine Vielzahl von kammartig bespannten Tragrahmen 7 herstellen zu können. Der Drahtführer 12 weist eine Drahtdüse 17 mit einer innenseitig großen Oberflächenhärte auf, um so die Reibung zwischen dem Draht 6 und der Drahtdüse 17 zu reduzieren. Zudem gewährleistet diese Ausführung, dass der Draht 6 nicht verschmutzt. Vorzugsweise kann hier eine diamantene Innenseite vorgesehen sein. Um ein paralleles Verspannen der Windungen 5 zu gewährleisten, wird der auf einer Spule 18 bereitgestellte Draht 6, welcher sowohl eine runde als auch eine rechteckige Querschnittsform aufweisen kann, innerhalb seines elastischen Bereichs mit einer der Wicklung entgegenwirkenden Vorspannkraft F vorgespannt, was durch die Vorspanneinheit 19 gewährleistet wird. Diese kann so ausgeführt werden, dass durch Umlenkrollen 20, die mit ei- nem Kraftmesssensor 21 versehen sind, eine Wicklung mit konstanter Wickelkraft gewährleistet wird. Dabei wird der Drahtanfang ebenso wie das Drahtende der ersten bzw. der letzten Windung 5 an der Vorrichtung 1 arretiert.

Claims

PATE N TAN SP RÜ C H E
1. Verfahren zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente (2) mit einem Schichtaufbau mehrerer Schichten eines aktiven Materials (3), insbesondere eine Piezokeramik, und mit jeweils zwischen den Schichten eines aktiven Materials (3) angeordneten leitfähigen Elektroden (4) bestehend aus einer Vielzahl paralleler Leiter, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl insbesondere paralleler, zueinander beabstandeter Abschnitte eines Drahtes (6) als Windungen (5) auf einem Wickelkörper (8) aufgewickelt werden, der um eine Rotationsachse (13) rotiert, wobei der gewünschte Abstand der benachbarten Windungen (5) fixiert wird und die Windungen (5) anschließend unterbrochen werden, sodass mehrere parallele Abschnitte des Drahtes (6) verschiedener Windungen (5) die einer Schicht zugeordneten Elektroden (4) bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Drahtführer (12) zur Einstellung des Abstands der benachbarten Windungen (5) während des Wickelvorgangs insbesondere parallel zu der Rotationsachse (13) bewegt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem
Wickelkörper (8) eine nicht-rotationssymmetrische Wicklung mit einer insbesondere polygonalen Querschnittsform erzeugt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Windung (5) dem herzustellenden Format entsprechend mehrfach getrennt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (5) zugleich auf mehrere ebene, an dem Wickelkörper (8) lösbar angeordnete Tragrahmen (7) aufgebracht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tragrahmen (7) einander gegenüberliegende Rahmenelemente aufweist, an denen die parallelen Windungen (5) an einer Ausformung (9) fixiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragrahmen (7) durch Trennung der Windungen (5) separiert und die Tragrahmen (7) anschließend zwischen zwei Schichten des aktiven Materials (3) eingebracht werden.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Schicht des aktiven Materials (3) auf den Wickelkörper (8) aufgebracht, anschließend eine Wicklung mit mehreren parallelen Windungen (5) auf diese Schicht des aktiven Materials (3) aufgebracht, auf die parallelen, die Elektrode bildenden Windungen (5) eine weitere Schicht, welche die Windungen (5) fixiert, aufgebracht, und schließlich die Wicklung entsprechend getrennt wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (6) mit einer vorbestimmten, insbesondere konstanten Vorspannung (F) belastet wird.
10. Piezoaktor, hergestellt mit einem Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.
1 1. Vorrichtung (1 ) mit einem um eine Rotationsachse (13) drehbeweglich antreibbaren Wickelkörper (8), an dessen Umfangsseite eine Aufnahme für einen lösbar fixierbaren Tragrahmen (7) und/oder für eine Schicht eines aktiven Materials (3) vorgesehen ist, und mit einer Spule (18) für einen Draht (6).
12. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (8) eine polygonale Querschnittsform aufweist.
13. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) eine Vorspanneinheit (19) zur Übertragung einer Vorspannkraft (F) auf den Draht (6) aufweist.
14. Vorrichtung (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (8) in Richtung der Rotationsachse (13) beabstandete schlitz- oder nutenförmige Ausnehmungen (15) aufweist.
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