DE102011001359A1

DE102011001359A1 - Method and device for producing a piezoactuator component

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Publication number: DE102011001359A1
Application number: DE102011001359A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Wallaschek Jörg; Dipl.-Ing. Mojrzisch Sebastian; cand.Ing. Gorelik Ilja; Dr.-Ing. Neubauer Marcus; Dr.-Ing. Schiedeck Florian; Andreas Renner
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-20
Also published as: WO2012122975A2; WO2012122975A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponens 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.The invention relates to a method and a device for producing a piezo actuator component of active material, in particular a piezo ceramic, and having conductive electrodes each arranged between the layers of an active material. For this purpose, a large number of, in particular parallel, mutually spaced sections of a wire are wound as turns (5) on a winding body (8), the turns (5) being interrupted after fixing. In this way, several parallel sections of the wire (6) with different turns (5) form the electrode. It has been shown that the method according to the invention can be used to produce the parallel wires (6) in a surprisingly simple manner by first generating them as a plurality of turns of a single wire (6) as a winding on the winding body (8) and then be separated according to the desired dimensions along the circumference of the layer surface.

Description

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.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.

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.The use of piezo actuators in industry is 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. Since this in turn is less than two parts per thousand of the layer thickness along the main axis, a correspondingly higher layer thickness of active piezoceramic must be provided in order to achieve a desired absolute linear expansion. However, as the layer thickness of the piezoceramic layer of a single piezoelectric element increases, so does the voltage required to respond to the piezoelectric element. Consequently, a plurality of piezoelectric elements provided with electrodes must be stacked one above the other.

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 (d₃₁-Effekt). Die Art der Deformation hängt somit von der Richtung des angelegten Feldes relativ zur Polungsrichtung der Keramik ab. Der d₃₁-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 Aktuators 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).When an electric field is applied, for example, in the polarity direction to the ceramic, it expands in the field direction, which is referred to as a so-called longitudinal effect (d ₃₃ effect), while it contracts orthogonally thereto (d ₃₁ effect). The type of deformation thus depends on the direction of the applied field relative to the poling direction of the ceramic. The d ₃₁ effect is only about one-third the size of the d ₃₃ effect, ie the deformation in the field direction. When using piezoelectric ceramics as actuators in the art, therefore, the aim is usually to use the d ₃₃ effect. In order to ensure a maximum deflection of the actuator, therefore, 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).

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 Zuschneiden bestimmt wird. Auch die Elektroden als separates Bauteil, hier ein Draht, liegen parallel zu den Ebenen der Elektroden.In the IDE design, 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 cutting. The electrodes as a separate component, here a wire, are parallel to the planes of the electrodes.

In der Praxis übliche Fertigungsverfahren zur Erzeugung solcher Piezoaktorenkomponenten sind das Drucken sowie das Folieren, wobei das Sputtern zum Einsatz kommt.In practice, customary production methods for producing such piezoelectric actuator components are printing and foiling, wherein sputtering is used.

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 Keramikschichten eingebracht.In a not yet sintered, relatively soft ceramic, 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. When filming individual layers are produced by sputtering and then introduced layer by layer in the ceramic layers to be excited.

In der US 5,113,566 A werden zum Beispiel die Elektrodenschichten durch Aufdampfen erzeugt. Die einzelnen Schichten werden beim Stapelvorgang gegeneinander versetzt.In the US 5,113,566 A For example, the electrode layers are formed by vapor deposition. The individual layers are offset from one another during the stacking process.

Die US 2005/0120528 A1 beschreibt das Auftragen leitender Metallschichten in Form einer Paste, ähnlich der Herstellung der Keramikschichten.The US 2005/0120528 A1 describes the application of conductive metal layers in the form of a paste, similar to the preparation of the ceramic layers.

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.The DE 689 26 166 T2 describes a method of manufacturing a piezoelectric stacker. Here, on the one hand, wire nets are used as electrodes, which are introduced as layers into the ceramic elements, on the other hand electrode arrangements are described from parallel bars, which are then introduced into the ceramic elements.

Die WO 2007/104784 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Vielschichtaktors, 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.The WO 2007/104784 A1 relates to a method for producing a monolithic multilayer actuator, wherein on each active film, the inner electrodes of both polarities applied as interconnects, the laminating directions of all active films arranged at right angles to the longitudinal axis of the multilayer actuator and the films are sintered with the inner electrodes together in a cofiring process, in which The internal electrodes are completely laminated and sintered together with the ceramic.

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.Characterized in that arranged on each active film, the inner electrodes of both polarities as interconnects, the layering directions of all active films arranged at right angles to the longitudinal axis of the multilayer actuator and the films are sintered together with the inner electrodes in a cofiring process, multi-layer actuators (d ₃₃ actuators) a required, for example, 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 conductors 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.

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.Furthermore, the WO 01/35468 A2 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. In this case, 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 ,

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 aufwendig zu Geflechten verarbeitet werden. Drahtgeflechte müssen erst hergestellt werden und können nicht kostengünstig als Halbfertigerzeugnisse bezogen werden.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. Even if wires are used as electrodes, they must be elaborately processed into braids. Wire mesh must first be produced and can not be obtained inexpensively as semi-finished products.

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.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.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.The first object is achieved by a method according to the features of claim 1. The further embodiment of the invention can be found in the dependent claims.

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 rotiert, 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 Erkenntnis 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 Wesentlichen 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.According to the invention, 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 turns on a winding body which rotates about an axis of rotation, wherein the desired spacing of the adjacent turns is fixed and the turns are subsequently interrupted, so that a plurality of parallel sections of the wire of different turns form the electrodes associated with a layer. It has been found that 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. It goes without saying that the wire has been previously fixed accordingly, so that the parallel arrangement generated by the windings can be maintained accordingly. The invention is therefore also based on the surprising finding that the production of wires arranged in a common plane of the electrodes does not require manufacture on a flat base by arranging a plurality of individual wires, but rather allows the principle of a winding to produce a substantially more economical production for the first time , For this purpose, 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.

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 Windungen, 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.The wire could be fed by means of the wire guide so that it runs in a plane not perpendicular to the axis of rotation of the winding body, so that only results from the orientation of the wire feed the parallel spaced course of the turns. By contrast, 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. In this way, in a simple manner, the distance of the adjacent turns, in particular for each winding differently, achieved by the movement of the wire guide, which can be arranged for this purpose along an axis parallel to the axis of rotation of the winding body movable or pivotally mounted. 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.

Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn auf dem Wickelkörper eine nicht-rotationssymmetrische Wicklung mit einer insbesondere polygonalen Querschnittsform erzeugt 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. Furthermore, it proves to be particularly useful if a non-rotationally symmetrical winding is produced with a particular polygonal cross-sectional shape 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.

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.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.

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 Piezoaktorenkomponenten 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.Furthermore, it proves to be particularly practical if the windings are simultaneously mounted on a plurality of flat, releasably arranged on the winding body support frame. As a result, the prerequisites for economical production of piezoelectric actuator components are created by combining the required parallel conductors on the support frame to form 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.

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.For this purpose, each support frame preferably has opposing support frames, on which the parallel turns are fixed to a molding. The support frames are for example provided with a groove-shaped recess which is spanned by the turns and in which the wire is fixed by means of an adhesive or a clamping connection. 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. By defining the turns on the formations of each support frame, the support frames can be separated by separating the turns and the support frames can then be inserted between two layers of the active material without losing the parallel orientation of the wires. The electrodes are thus available as an intermediate for an industrial production of actuators, which can be done independently of the production of the winding on the winding body.

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.In another, also particularly promising embodiment of the invention, 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. In this case, therefore, the layer structure arises in a sequence of turns as electrodes and of the active material on the circumference of the wound body. Characterized in that at the same time a plurality of unsintered ceramic components are applied as layers of the active material on the peripheral surface of the winding body to collectively applied to this one made of a single wire winding, a further substantial cost optimization is achieved and the production at the same time significantly accelerated. After attaching the winding on the ceramic component, 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.

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. Hierdurch 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.The wire tension is ensured by the tension created during winding on the winding drum. On the other hand, it is particularly promising if the wire is loaded with a predetermined, in particular constant prestressing. As a result, a uniform over the entire circumference tensile stress is achieved, which is not dependent on rotation angle in particular in a polygonal cross-sectional shape. Thereby, a transient voltage fluctuation with the result of wireless can be avoided and the positioning accuracy when mounting the parallel windings can be improved.

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 derart, 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.The second-mentioned object to provide a device for carrying out the method is inventively achieved in that the device has a rotatably driven about a rotation axis bobbin, provided on the peripheral side of a receptacle for a releasably fixable support frame and / or for a layer of active material is, and is equipped with a coil for a wire. With the device according to the invention, 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. In order to achieve a flat layer structure, 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. Alternatively, the Recording also directly serve 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. For this purpose, a common winding is simultaneously applied to a plurality of circumferentially arranged ceramic discs. After pressing with another 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.

In der Praxis ist es sinnvoll, wenn der Wickelkörper derart verstellbar oder modular aufgebaut 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 Anordnung 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.In practice, it makes sense if the winding body is so adjustable or modular, that different support frame and / or a different number of support frame can be fixed to it. In a simple embodiment, the winding body is limited to a hub with holding flanges arranged thereon. By contrast, an embodiment in which the winding body has a polygonal cross-sectional shape and is thus optimally suited for the arrangement of the receptacle for a releasably fixable supporting frame or the ceramic plates in the respective planar peripheral sections is particularly advantageous. In this case, 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.

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.Furthermore, it proves to be promising if the device has a clamping means for transmitting a bias voltage to the wire. By loading the wire with an adjustable biasing force, the parallelism of the turns can be maintained with reproducible accuracy. In particular, a force-controlled control takes place. Alternatively, 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. In a simple clamping means this spring preload is provided.

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.Furthermore, it proves to be particularly promising if 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. These comb-like recesses take the wire, for example, a form-fitting manner and thus ensure an exact distance of adjacent turns. Of course, the recesses may also be arranged on a releasably and exchangeably connected with the winding body shaped body.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt inThe invention allows for various embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows in

1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente; 1 a schematic diagram of an inventive device for producing a piezoelectric actuator component;

2 eine Prinzipdarstellung einer Spule sowie ein Spannmittel der Vorrichtung; 2 a schematic diagram of a coil and a clamping means of the device;

3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung; 3 a perspective view of the device;

4 einen Schichtaufbau der herzustellenden Piezoaktorenkomponente. 4 a layer structure of the piezoelectric actuator component to be produced.

Das Verfahren sowie die Vorrichtung 1 zur Herstellung einer Piezoaktorenkomponente 2 werden nachstehend anhand der 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.The method and the device 1 for producing a piezoelectric actuator component 2 will be described below on the basis of 1 to 4 explained in more detail. The manufactured piezoelectric actuator component 2 comprises a layer structure with multiple layers of active material 3 , in particular a piezoceramic, and in each case one between two layers of the active material 3 arranged electrode 4 from parallel spaced portions of a plurality of turns 5 a single wire 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 industrielle, 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.The manufacturing method is based on the surprising finding that a winding method allows an economical production of the planar layer structure. For this purpose, an existing of a metal frame supporting frame 7 with a variety of turns 5 of the wire 6 covered, with the support frame 7 on a winding body 8th for example, are locked by magnets. The turns 5 be on opposite frame parts of the support frame 7 on formations 9 fixed by gluing, welding or soldering. The covered supporting frame 7 can be integrated into the production of piezoelectric actuators in industrial, especially automated manufacturing processes. For example, the covered support frame 7 produced as semi-finished products separately, so that in a later manufacturing process, the support frame 7 be pressed only with their biased wires in ceramic elements.

Der Wickelkörper 8 der Vorrichtung 1 ist mittels eines endlosen Antriebsriemens 10 mit einem elektrischen Antrieb 11 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 nutenförmige 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.The winding body 8th the device 1 is by means of an endless drive belt 10 with an electric drive 11 connected. A wire guide 12 the device 1 is substantially parallel to a rotation axis 13 the bobbin 8th by means of a threaded spindle 14 movably arranged. According to the feed speed of the wire guide 12 in relation to the rotational speed of the bobbin 8th so is the distance of the turns 5 set. At the same time serve groove-shaped recesses 15 in a shaped body 16 , which one the planar peripheral regions of the winding body 8th limited, reliable positioning. At the peripheral areas are dowel pins for exact positioning of the support frame 7 intended.

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.The winding body 8th can basically any number of support frames 7 Receive the outside, so with a single winding a variety of comb-like covered support frame 7 to be able to produce.

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.The wire guide 12 has a wire nozzle 17 with an inside high surface hardness, so the friction between the wire 6 and the wire nozzle 17 to reduce. In addition, this design ensures that the wire 6 not dirty. Preferably, a diamantene inside can be provided here.

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 einem 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.To a parallel distortion of the turns 5 to ensure that is on a spool 18 provided wire 6 , which may have both a round and a rectangular cross-sectional shape, biased within its elastic range with a winding counteracting biasing force F, which by the biasing unit 19 is guaranteed. This can be carried out so that by pulleys 20 using a force measuring sensor 21 are provided, a winding with constant winding force is ensured. The wire beginning as well as the wire end of the first or the last turn 5 at the device 1 locked.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5113566 A [0007]
US 2005/0120528 A1 [0008]
DE 68926166 T2 [0009]
WO 2007/104784 A1 [0010]
WO 01/35468 A2 [0012]

Claims

Method for producing a piezoactuator component ( 2 ) with a layer structure of several layers of an active material ( 3 ), in particular a piezoceramic, and in each case between the layers of an active material ( 3 ) arranged conductive electrodes ( 4 ) consisting of a plurality of parallel conductors, characterized in that a plurality of in particular parallel, mutually spaced sections of a wire ( 6 ) as turns ( 5 ) on a winding body ( 8th ) wound around a rotation axis ( 13 ), whereby the desired spacing of the adjacent turns ( 5 ) and the turns ( 5 ) are interrupted so that several parallel sections of the wire ( 6 ) of different turns ( 5 ) the electrodes associated with a layer ( 4 ) form.

Method according to claim 1, characterized in that a wire guide ( 12 ) for adjusting the spacing of the adjacent turns ( 5 ) during the winding process, in particular parallel to the axis of rotation ( 13 ) is moved.

Method according to claims 1 or 2, characterized in that on the winding body ( 8th ) generates a non-rotationally symmetric winding having a particular polygonal cross-sectional shape.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that each turn ( 5 ) is separated several times according to the format to be produced.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the turns ( 5 ) at the same time on several levels, on the winding body ( 8th ) releasably arranged support frame ( 7 ) are applied.

Method according to claim 5, characterized in that each support frame ( 7 ) has mutually opposite frame elements, on which the parallel turns ( 5 ) on a molding ( 9 ) are fixed.

Method according to claim 5 or 6, characterized in that the supporting frames ( 7 ) by separation of the turns ( 5 ) and the support frames ( 7 ) between two layers of the active material ( 3 ) are introduced.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that in a first step a layer of the active material ( 3 ) on the winding body ( 8th ), followed by a winding with several parallel turns ( 5 ) on this layer of the active material ( 3 ), on the parallel, the electrode forming turns ( 5 ) another layer containing the turns ( 5 ), applied, and finally the winding is separated accordingly.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the wire ( 6 ) is loaded with a predetermined, in particular constant bias voltage (F).

Piezoactuator, produced by a method according to at least one of the preceding claims.

Contraption ( 1 ) with one about an axis of rotation ( 13 ) rotatably driven bobbin ( 8th ), on whose peripheral side a receptacle for a releasably fixable support frame ( 7 ) and / or for a layer of an active material ( 3 ) is provided, and with a coil ( 18 ) for a wire ( 6 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 11, characterized in that the winding body ( 8th ) has a polygonal cross-sectional shape.

Contraption ( 1 ) according to claim 11 or 12, characterized in that the device ( 1 ) a bias unit ( 19 ) for transmitting a biasing force (F) to the wire ( 6 ) having.

Contraption ( 1 ) according to at least one of claims 11 to 13, characterized in that the wound body ( 8th ) in the direction of the axis of rotation ( 13 ) spaced slot or groove-shaped recesses ( 15 ) having.