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Die Erfindung betrifft die Herstellung von piezoelektrischen Aktoren, insbesondere das Vereinzeln von piezoelektrischen Aktoren aus einem Materialblock.
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Ein Piezoaktor umfasst eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, die übereinander gestapelt angeordnet sind. Zwischen den Schichten befinden sich elektrisch leitfähige Schichten. Diese Elektrodenschichten sind in Stapelrichtung abwechselnd auf einen Bereich einer Seitenfläche des Aktorbauelements herausgeführt und weisen von einem Bereich einer weiteren Seitenfläche einen Abstand auf. Diejenigen elektrisch leitfähigen Schichten, die bis zu einer ersten Seitenfläche des Aktors herausgeführt sind, bilden erste Elektrodenschichten, während diejenigen leitfähigen Schichten, die in dem Stapel bis zu einer zweiten Seitenfläche des Aktors herausgeführt sind, zweite Elektrodenschichten bilden. Dadurch ergeben sich in dem Schichtstapel inaktive Zonen, in denen sich benachbarte Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität nicht überlappen. Die ersten und zweiten Elektrodenschichten können jeweils von außen über eine Kontaktfläche kontaktiert werden, wobei die Kontaktflächen jeweils entlang der ersten und zweiten Seitenfläche des Schichtstapels angeordnet sind.
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Wenn an die ersten und zweiten Elektrodenschichten eine elektrische Spannung angelegt wird, tritt eine Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten auf. Durch die Längenänderung des Schichtstapels eines Aktors lassen sich Kräfte übertragen, die beispielsweise zur Steuerung von Injektoren verwendet werden können. Die Injektoren können zum Beispiel Ventile für Motoren sein, die durch die Längenänderung des Aktors auf und zu gesteuert werden.
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Von den Herstellern für Injektoren wird für die Aktoren eine hohe Steifigkeit und ein möglichst geringer Platzverbrauch gefordert. Aktoren mit einem runden Querschnitt weisen in Bezug auf die Steifigkeit und den Platzverbrauch eine geeignete Form auf. Allerdings ist die Herstellung einer piezoelektrischen Stapelanordnung mit rundem Querschnitt mit hohen Schnittverlusten verbunden, wenn die Aktoren aus einem Materialblock durch eine runde Schnittführung vereinzelt werden.
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Aktoren werden daher meist mit rechteckigem, insbesondere quadratischem Querschnitt, hergestellt. 1 zeigt einen Materialblock 100 aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten piezoelektrischen Schichten 10, zwischen denen elektrisch leitfähige Schichten 20 angeordnet sind. Zum Vereinzeln von quaderförmigen Aktoren 1 aus dem Materialblock wird der Block mittels durchgehender Schnitte S1', S2' in quadratische Schichtstapel, die jeweils einen Aktor bilden zersägt. Dazu kann über dem Materialblock 100 eine Schneideeinrichtung angeordnet werden. Die Schneideeinrichtung kann beispielsweise viele nebeneinander parallel angeordnete Schneidedrähte aufweisen. Zum Zersägen des Materialblocks in die in 1 eingezeichneten quaderförmigen Aktoren 1 werden die Schneidedrähte in Längsrichtung bewegt.
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In einem ersten Fertigungsschritt wird der Materialblock in eine bewegliche Haltevorrichtung eingespannt und in vertikaler Richtung bewegt, so dass durch die Schneidedrähte in dem Materialblock 100 durch den gesamten Block durchgehende, gerade Schnitte S1' in der in 1 eingezeichneten Schnittrichtung R' vorgenommen werden. In einem drauffolgenden zweiten Fertigungsschritt wird der Block um 90° in horizontaler Richtung gedreht und erneut in die Haltevorrichtung eingespannt. Die Haltevorrichtung wird daraufhin wieder mit dem Materialblock 100 in Richtung der Schneideeinrichtung bewegt. Somit werden durch die Schneidedrähte zu den ersten Schnitten S1' rechtwinklig angeordnete Schnitte S2' in den Materialblock eingefügt. Auch beim zweiten Fertigungsschritt erfolgen durch die Bewegung der Schneidedrähte und des Materialblocks die Schnitte S2' in vertikaler Richtung R' durch die gesamte Dicke des Materialblocks, so dass dieser komplett durchschnitten wird. Alternativ zur Bewegung des Materialblocks in vertikal umgekehrter Richtung zur Schnittrichtung R' könnte auch die Schneideeinrichtung in der Schnittrichtung R' bewegt werden. Sowohl bei dem ersten als auch bei dem zweiten Fertigungsschritt erfolgt die Schnittrichtung R' parallel zur Normalen der Ebene O10 der piezoelektrischen Schichten 10 beziehungsweise der Ebene O20 der Innenelektrodenschichten 20.
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Mit dem anhand von 1 veranschaulichten Herstellungsverfahren lassen sich Aktoren mit vier- beziehungsweise rechteckiger Querschnittsform aus dem Materialblock vereinzeln. Um die Forderung von Injektorherstellern nach einer Bauform mit rundem Querschnitt genüge zu tun, werden die Ecken der rechteckig beziehungsweise quadratischen Bauform anschließend leicht verrundet. Im Vergleich zu einer runden Querschnittsform weisen Aktoren einer derartigen Grundform bei gleicher Querschnittsfläche allerdings einen größeren Außendurchmesser auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Aktoren anzugeben, mit dem sich zur Kraftübertragung geeignete Aktoren aus einem Materialblock mit möglichst wenig Materialverlust herstellen lassen, wobei die Aktoren eine möglichst große Festigkeit bei möglichst geringem Außendurchmesser aufweisen sollen.
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Ein geeignetes Verfahren zum Herstellen von piezoelektrischen Aktoren aus einem Materialblock umfasst zunächst das Bereitstellen des Materialblocks aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten piezoelektrischen Schichten, wobei jeweilige Oberflächen der Schichten übereinander angeordnet sind, und des Weiteren das Bereitstellen einer Schneideeinrichtung zum Einfügen mindestens eines Schnittes in den Materialblock. Mindestens ein Aktor wird aus dem Materialblock vereinzelt durch Bewegen des Materialblocks oder der Schneideeinrichtung derart zueinander, dass der Materialblock durch die Schneideeinrichtung geschnitten wird, wobei eine Schnittrichtung der Schneideeinrichtung in der jeweiligen Ebene der Oberflächen der piezoelektrischen Schichten des Materialblocks verläuft.
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Mit dem angegebenen Herstellungsverfahren lassen sich Aktorbauelemente mit beliebigem Querschnitt aus dem Materialblock herausschneiden. Es lassen sich insbesondere solche Querschnittsformen erzeugen, die einer runden Querschnittsform in Bezug auf Querschnittsfläche zu Außendurchmesser am nächsten kommen, ohne einen systematischen Schnittverlust zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem die Aktoren reihenweise aus dem Materialblock herausgesägt werden. Dabei wird auf Schnitte verzichtet, die während einem Sägeprozess durch den gesamten Block komplett hindurchgehen. Dies wird ermöglicht, indem der Materialblock von der Seite mittels der Schneideeinrichtung, die als Drahtsäge ausgebildet sein kann, in die einzelnen Aktoren zerteilt wird. Dazu wird der Materialblock oder die Schneideeinrichtung in mindestens zwei Richtungen verfahren. Ein zweifaches Aufspannen des Materialblocks in einer Haltevorrichtung ist dadurch ebenfalls nicht mehr notwendig. Mit dem angegebenen Herstellungsverfahren lässt sich letztendlich nahezu jede Querschnittsform eines Aktors ohne systematischen Schnittverlust erzeugen, die lückenlos in einer Ebene pakettiert werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen, weiter veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von piezoelektrischen Aktoren mit rechteckigem Querschnitt,
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2 eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von piezoelektrischen Aktoren mit rechteckigem Querschnitt,
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3 einen Fertigungsschritt zur Herstellung von piezoelektrischen Aktoren mit sechseckigem Querschnitt,
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4A eine Ausführungsform eines Aktors mit sechseckigem Querschnitt im Vergleich zu einem Aktor mit rundem Querschnitt,
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4B eine Ausführungsform eines Aktors mit quadratischem Querschnitt im Vergleich zu einem Aktor mit rundem Querschnitt,
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5 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von piezoelektrischen Aktoren mit sechseckig abgeflachtem Querschnitt,
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6 eine Ausführungsform eines Aktors mit einer Kontaktierung zum Anlegen einer Spannung.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen von Aktoren, wobei die Aktoren aus einer piezoelektrischen Vielschichtstruktur in Form eines Materialblocks 100 vereinzelt werden. Der Materialblock weist eine Vielzahl von piezoelektrischen Materialschichten 10 auf, zwischen denen jeweils Elektrodenschichten 20 angeordnet sind. Die piezoelektrischen Schichten können aus mehreren Lagen einer dünnen Folie eines piezoelektrischen Materials, beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), gebildet werden. Die Elektrodenschichten können beispielsweise im Siebdruckverfahren auf die Folienschichten aufgedruckt oder als leitfähige Paste auf die Folienschichten aufgebracht werden. Nach dem Vereinzeln der Aktoren aus dem Materialblock wird die Vielschichtstruktur der einzelnen Aktoren zur Verfestigung verpresst und gemeinsam gesintert.
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Zum Zersägen des Materialblocks 100 in die einzelnen Aktoren ist eine Schneideeinrichtung 200 vorgesehen. Die Schneideeinrichtung 200 kann mehrere parallel gespannte Schneidedrähte 210 aufweisen. Zum Zersägen des Materialblocks sind die Schneidedrähte 210 in Längsrichtung beweglich ausgeführt.
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Zur Fixierung des Materialblocks ist der Materialblock während des Sägevorgangs in eine in 2 nicht dargestellte Haltevorrichtung eingespannt. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Verfahren ist der Materialblock hochkant, das heißt im Vergleich zu seiner in 1 dargestellten Lage um 90° gekippt, in die Haltevorrichtung eingespannt. Der Materialblock 100 ist mittels der Haltevorrichtung zu der Schneideeinrichtung 200, insbesondere zu den Schneidedrähten 220, derart angeordnet, dass die Schneideeinrichtung 200 beziehungsweise die Schneidedrähte 210 parallel zur Normalen auf die Schichten des Materialblocks 100, insbesondere auf die piezoelektrischen Schichten 10 oder die Elektrodenschichten 20, ausgerichtet sind.
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Zum Vereinzeln von Aktorbauelementen werden der Materialblock oder die Schneideeinrichtung derart zueinander bewegt, dass in dem Materialblock Schnitte S1, S2 in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen R1, R2 erzeugt werden.
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Dazu kann die Schneideeinrichtung ortsfest angeordnet sein und der Materialblock in mindestens zwei unterschiedliche Bewegungsrichtungen V1 und V2 bewegt werden. Durch die Bewegung der Schneidedrähte in Längsrichtung werden in den Materialblock Schnitte S1, S2 in den Schnittrichtungen R1, R2 entgegengesetzt zu den Bewegungsrichtungen V1, V2 des Materialblocks eingefügt.
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Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird der Materialblock ortsfest gehalten und die Schneideeinrichtung zusätzlich zur Bewegung der Schneidedrähte in Längsrichtung in mindestens zwei unterschiedliche Bewegungsrichtungen V1', V2' bewegt. Durch diese Bewegung der Schneideeinrichtung werden in dem Materialblock Schnitte mit den Schnittrichtungen R1 und R2 in die Richtungen V1' und V2' der Bewegung der Schneideeinrichtung eingefügt.
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Die Schnittrichtungen R1 und R2 verlaufen parallel zur Ebene der piezoelektrischen Materialschichten 10 beziehungsweise parallel zur Ebene der Elektrodenschichten des Aktorbauelements. Die Schnittrichtungen R1 und R2 verlaufen in den genannten Ebenen rechtwinklig zueinander.
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Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Herstellungsverfahren wird bei dem Verfahren gemäß 2 auf durchgehende Schnitte verzichtet. Stattdessen werden die Aktorbauelemente reihenweise aus dem Materialblock vereinzelt. Die Vereinzelung eines Aktors umfasst einen ersten Fertigungsschritt und einen zweiten Fertigungsschritt.
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Zunächst werden der Materialblock und die Schneideeinrichtung relativ zueinander auf eine Position P1 ausgerichtet. In dem ersten Fertigungsschritt wird der Schnitt S1 in der Schnittrichtung R1 in den Materialblock eingebracht. Die Schnittrichtung R1 verläuft beispielsweise parallel zu einer Kante des Materialblocks. Dazu kann beispielsweise der Materialblock 100 entgegen der Schnittrichtung R1 in die Bewegungsrichtung V1 bewegt werde, während die Schneideeinrichtung fest fixiert und nur die Schneidedrähte in Längsrichtung beweglich sind. Aufgrund der mehreren parallel gespannten Schneidedrähte können gleichzeitig mehrere Schnitte S1 in einer Reihe parallel nebeneinander in den Materialblock eingebracht werden.
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Zum Vereinzeln der Aktoren kann der Materialblock 100 nach dem Einbringen der Schnitte S1 in die Bewegungsrichtung V2 bis zur Position P2 verfahren werden. Durch die Bewegung der Schneidedrähte in Längsrichtung entstehen Schnitte S2 in dem Materialblock, die rechtwinklig zu den Schnitten S1 in den Materialblock eingefügt werden. Um die Aktorbauelemente reihenweise aus dem Materialblock heraus zu sägen, erfolgt die Schnittführung der Schnitte S1 und S2 in dem ersten Fertigungsschritt nur in einem ersten Teil 101 des Materialblocks, wohingegen ein zweiter Teil 102 des Materialblocks zunächst noch ungeschnitten bleibt. Somit können durch das Einbringen der Schnitte S1 und S2 eine Vielzahl von in einer Reihe RE1 nebeneinander liegenden Aktoren gleichzeitig aus dem Materialblock heraus gesägt werden.
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In einem zweiten Fertigungsschritt wird der Materialblock oder die Schneideeinrichtung anschließend wieder auf die Position P1 relativ zueinander bewegt. Ausgehend von der Position P1 wird der erste und zweite Fertigungsschritt wiederholt, um die nächstfolgende Reihe RE2 von Aktorbauelementen aus dem Materialblock zu vereinzeln.
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Alternativ zur Bewegung des Materialblocks in die Richtungen V1 und V2 und zur Fixierung der Schneideeinrichtung kann auch der Materialblock 100 ortsfest gehalten sein und die Schneideeinrichtung in dem ersten Fertigungsschritt in einer Bewegungsrichtung entgegen der Bewegungsrichtung V1, das heißt in der Schnittrichtung R1, bewegt werden und anschließend in eine zur Bewegungsrichtung V2 entgegen gesetzten Bewegungsrichtung, das heißt in der Schnittrichtung R2, verfahren werden.
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Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Verfahren zur Herstellung von Aktoren aus einem Materialblock ist bei dem Verfahren gemäß 2 kein Umspannen des Materialblocks in einer Haltevorrichtung mehr erforderlich. Dies wird dadurch ermöglicht, indem die Schneideeinrichtung oder der Materialblock derart bewegt werden, dass Schnitte mit mindestens zwei unterschiedlichen Schnittrichtungen R1, R2 in dem Materialblock entstehen. Die Aktoren werden in einem Arbeitsgang, bei ein- oder mehrfacher Änderung der Sägerichtung reihenweise gleichzeitig aus dem Block geschnitten.
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Neben der rechteckigen Quaderform können mittels des Herstellungsverfahrens Aktorbauelemente mit beliebigen weiteren Querschnitten aus dem Materialblock vereinzelt werden. Die 3 zeigt das Vereinzeln von Aktorbauelementen mit sechseckigem Querschnitt aus einem Materialblock 100.
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Dazu ist eine Schneideeinrichtung 200 vorgesehen, die parallel zueinander angeordnete Schneidedrähte 210 aufweisen kann. Der Materialblock 100 ist erneut hochkant in eine Haltevorrichtung derart eingespannt, dass die piezoelektrischen Materialschichten 10 beziehungsweise die leitfähigen Schichten 20 des Materialblocks senkrecht zu der Schneideeinrichtung 210 beziehungsweise zu den Schneidedrähten 210 der Schneideeinrichtung ausgerichtet ist. Zum Zersägen des Materialblocks können ähnlich dem anhand von 2 beschriebenen Verfahren zum Vereinzeln von Aktorbauelementen mit rechteckigem Querschnitt der Materialblock oder die Schneideeinrichtung derart bewegt werden, dass in dem Materialblock Schnitte in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen erzeugt werden. Zum Vereinzeln von Aktoren mit sechseckförmigem Querschnitt können die Schneidedrähte in einem Abstand angeordnet sein, so dass in einer Reihe RE1 nebeneinander angeordnete Aktoren 1 versetzt zu in der nächsten Reihe RE2 nebeneinander angeordneten Aktoren 1 aus dem Materialblock ausgesägt werden. Dadurch entsteht nahezu kein Materialverlust während des Schneidevorgangs.
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Die Aktoren mit sechseckigem Querschnitt werden durch ein Herstellungsverfahren, das einen ersten Fertigungsschritt und einen zweiten Fertigungsschritt umfasst, reihenweise aus dem Materialblock 100 vereinzelt. 3 zeigt den ersten Fertigungsschritt, bei dem ein Teil des Umrisses eines sechseckigen Aktors aus dem Materialblock heraus gesägt wird. Dazu wird der Materialblock in die drei Bewegungsrichtungen V1, V2 und V3 bewegt. Die Schneidedrähte der Schneideeinrichtung schneiden den Materialblock dadurch in den verschiedenen Schnittrichtungen R1, R2 und R3, so dass während des ersten Fertigungsschrittes die Schnitte S1, S2 und S3 in den Materialblock eingebracht werden. Die aufeinanderfolgenden Schnittrichtungen R1 und R2 beziehungsweise R2 und R3 können während des ersten Fertigungsschrittes beispielsweise um 60° zueinander versetzt ausgerichtet sein.
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Nach dem Vereinzeln der Aktoren der Reihe RE1 wird der Materialblock zum Vereinzeln der Aktoren der Reihe RE2 in einem zweiten Fertigungsschritt in horizontaler Richtung, das heißt entgegengesetzt zur Richtung V2, bis zu einer Anfangsposition für den Schnitt S1 der Aktoren der nächsten Reihe verfahren. Ausgehend von dieser Position wird der erste Fertigungsschritt erneut ausgeführt, um die Aktorbauelemente der zweiten Reihe RE2 aus dem Materialblock herauszuschneiden.
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Der erste und zweite Fertigungsschritt wird somit abwechselnd wiederholt, bis der gesamte Materialblock reihenweise in einzelne Aktoren zersägt worden ist. Anhand der in 3 gezeigten Vorgehensweise wird deutlich, dass mit dem Herstellungsverfahren nicht nur Aktoren mit rechteckigen Querschnitten, sondern auch andere Geometrien schnittverlustarm im Mehrfachschnitt hergestellt werden können.
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Häufig wird für eine hohe Steif- und Festigkeit der Aktoren einerseits und für einen geringen Platzbedarf andererseits eine möglichst große Querschnittsfläche bei möglichst geringem Außendurchmesser gefordert. Ein kreisförmiger Querschnitt würde dieser Forderung am ehesten genügen. Diese Querschnitts-form ist aber mit hohen Schleifverlusten verbunden. Eine sechseckige Querschnittsform stellt im Vergleich zu einer rechteckigen Querschnittsform eine schleifverlustärmere Alternative dar. Mit einem sechseckförmigen Querschnitt gemäß 4A lassen sich 83% der Fläche eines Kreises mit gleichem Außendurchmesser erzielen, während ein quadratischer Querschnitt gemäß 4B nur 64% der Fläche eines Kreises einnimmt.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens, mit dem ein Vereinzeln von Aktorbauelementen aus einem Materialblock mit sechseckigem Querschnitt reihenweise erfolgt. Dabei werden mit der anhand der 3 beschriebenen Schneideeinrichtung in einem ersten Fertigungsschritt die Schnitte S1, S2 und S3 in den Materialblock eingefügt. Die Schnittführung erfolgt wie bei dem Herstellungsverfahren der 3, indem die Schnittrichtungen während des Schneidens geändert werden. Dazu wird der Materialblock 100 oder die Schneideeinrichtung 200, insbesondere die Schneidedrähte 210, in mindestens zwei Richtungen verfahren. In einem zweiten Fertigungsschritt wird der Materialblock beziehungsweise die Schneideeinrichtung auf die Anfangsposition für die Schnitte S1, S2 und S3 verfahren, die zum Vereinzeln der nächstfolgenden Reihe von Aktoren in den Materialblock eingebracht werden.
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Im Gegensatz zu dem in der 3 gezeigten Herstellungsverfahren erfolgt die Schnittführung derart, dass der Schnitt S2, der senkrecht beziehungsweise parallel zu einer Kante des Materialblocks verlaufen kann, länger ist als die übrigen Schnitte S1 und S3. Dadurch weisen die Aktoren eine abgeplattete beziehungsweise gestauchte sechseckige Querschnittsform auf.
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Eine derartige Querschnittsform ist besonders gut zur Kontaktierung von Aktorbauelementen geeignet, insbesondere dann, wenn die Aktoren in einem Gehäuse mit einer runden Querschnittsform verbaut werden. 6 zeigt beispielhaft einen Querschnitt eines einzelnen bereits vereinzelten Aktorauelements 1 mit abgeflachter sechseckiger Querschnittsform. Die Isolationszonen 11 und 12 kennzeichnen diejenigen Bereiche, an denen zwischen übereinander angeordneten piezoelektrischen Materialschichten keine Innenelektrode in die piezoelektrische Vielschichtstruktur eingebracht ist. Der Einfachheit halber sind in 6 zwei mögliche Kontaktierungsformen eines Aktorbauelements in einer Figur dargstellt. Bei einer ersten möglichen Ausführungsform wird an einer Seite K2 des Aktors, die mit dem Schnitt S2 aus dem Materialblock herausgesägt worden ist und eine längere Kantenlänge aufweist als die Seiten K1 und K3, die durch die Schnitte S1 und S3 aus dem Materialblock herausgesägt worden sind, ein Kontakt 30 in Form eines Kontaktbleches oder -siebes, angebracht. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform einer Kontaktierung kann an eine der schmäleren Seiten K3 des Aktors, die beispielsweise mit dem Schnitt S3 aus dem Materialblock ausgesägt worden ist, kann ein Kontakt 30 in Form eines Drahtes (Drahtharfe) angebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- piezoelektrische Schicht
- 20
- Elektrodenschicht
- 30
- Kontakt
- 100
- Materialblock
- 200
- Schneideeinrichtung
- 210
- Schneidedrähte
- S
- Schnitt
- R
- Schnittrichtung
- V
- Bewegungsrichtung des Materialblocks
- RE
- Reihe nebeneinander angeordneter Aktoren
