EP2614543A1 - Verfahren zum herstellen von piezoelektrischen aktoren aus einem materialblock - Google Patents

Verfahren zum herstellen von piezoelektrischen aktoren aus einem materialblock

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Publication number
EP2614543A1
EP2614543A1 EP11754346.2A EP11754346A EP2614543A1 EP 2614543 A1 EP2614543 A1 EP 2614543A1 EP 11754346 A EP11754346 A EP 11754346A EP 2614543 A1 EP2614543 A1 EP 2614543A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
block
cutting device
actuators
cutting
material block
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11754346.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Rinner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2614543A1 publication Critical patent/EP2614543A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/04—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools
    • B28D5/042—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools by cutting with blades or wires mounted in a reciprocating frame
    • 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
    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H10N30/053—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by integrally sintering piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
    • 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
    • H10N30/08—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies
    • H10N30/085—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies by machining
    • H10N30/088—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies by machining by cutting or dicing
    • 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
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/503—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal or circular in top view

Definitions

  • the invention relates to the production of piezoelectric actuators, in particular the separation of piezoelectric actuators from a block of material.
  • a piezoactuator includes a plurality of piezoelectric layers stacked one on top of the other. Zvi ⁇ rule the layers are electrically conductive
  • Electrodes are led out alternately in the stacking direction to a region of a side surface of the actuator ⁇ component and have from a region of another side surface at a distance.
  • Those elekt ⁇ driven conductive layers to a first side surface of the actuator led out form first electric ⁇ the layers
  • those conductive layers which are led out in the stack to a second side surface of the actuator form, second electrode layers. Since ⁇ by arise in the layer stack inactive zones, in which adjacent electrode layers of different polarities do not overlap.
  • the first and second electric ⁇ the layers may be contacted from outside via a contact surface, respectively, wherein the contact surfaces are each along the first and second side surfaces of the layer stack is arranged ⁇ .
  • the injectors may for example be valves for motors, which are controlled by the change in length of the actuator and to.
  • Cut losses associated when the actuators are separated from a block of material through a round cutting guide are cut losses associated when the actuators are separated from a block of material through a round cutting guide.
  • FIG. 1 shows a material block 100 made up of a plurality of stacked piezoelectric layers 10, between which electrically conductive layers 20 are arranged.
  • a cutting device can be arranged above the material block 100.
  • the cutting device can, for example, have many cutting wires arranged in parallel next to one another. For sawing the material block into the cuboidal actuators 1 shown in FIG. 1, the cutting wires are moved in the longitudinal direction.
  • a first production step the material block is clamped in a movable holding device and moved in verti ⁇ ler direction, so that through the cutting wires in the material block 100 through the entire block continuous, straight cuts Sl ⁇ in the drawn in Figure 1 cutting direction R x are made .
  • the block is rotated by 90 ° in the horizontal direction and clamped again in the fixture.
  • the holding device is then moved again with the material block 100 in the direction of the cutting device.
  • ⁇ S2 are inserted into the material block ⁇ by the cutting wires to the first cuts Sl ⁇ arranged at right angles cuts.
  • the cuts S2 ⁇ are made in the vertical direction R x through the entire thickness of the material block by the movement of the cutting wires and the material block , so that it is completely cut through ⁇ .
  • the cutting device could also be moved in the cutting direction R x .
  • the cutting direction R x is parallel to the Nor ⁇ paint the plane O10 of the piezoelectric layers 10 and the plane O20 of the inner electrode layers 20th
  • actuators having a quadrangular or rectangular cross-sectional shape can be separated from the material block.
  • the corners of the right ⁇ square or square design are then rounded slightly.
  • a round cross-sectional ⁇ form have actuators of such a basic shape with the same cross-sectional area, however, a larger outer diameter.
  • the object of the present invention is to specify a method for the production of piezoelectric actuators with which actuators suitable for transmitting power are produced from a block of material with as little material loss as possible let, where the actuators should have the greatest possible strength with the smallest possible outer diameter.
  • a suitable method for producing piezoelectric actuators from a material block comprises firstly preparing the material block from a multiplicity of stacked piezoelectric layers, wherein respective surfaces of the layers are arranged one above the other, and further providing a cutting device for inserting at least one section into the material block. At least one actuator is singulated from the block of material by moving the block of material or cutting means towards one another such that the block of material is cut by the cutter, wherein a cutting direction of the cutter extends in the respective plane of the surfaces of the piezoelectric layers of the block of material.
  • Actuator components of any desired cross-section can be cut out of the material block using the specified production method.
  • such cross-sectional shapes can be produced which come closest to a round cross-sectional shape with respect to cross-sectional area to outside diameter, without producing a systematic loss of section.
  • This is achieved by the actuators are cut out rows from the Ma ⁇ terialblock.
  • the complete pass during a sawing process through the entire block This is made possible by the block of material is cut from the side by means of the cutting device which may be configured as a wire saw, in each Ak ⁇ factors.
  • the material block or the cutting device is moved in at least two directions. A double clamping of the material block in a holding ⁇ device is therefore also no longer necessary.
  • With the specified manufacturing process can ultimately Create almost any cross-sectional shape of an actuator without systematic loss of section, which can be packaged seamlessly in one plane.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a method for the production of piezoelectric actuators with a rectangular cross-section
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a method for
  • FIG. 3 shows a production step for the production of piezoelectric actuators with a hexagonal cross section
  • Figure 4A shows an imple mentation of an actuator with hexagonal
  • Figure 4B shows an imple mentation of an actuator with square
  • Figure 5 is a imple mentation of a method for the manufacture ⁇ development of piezoelectric actuators with hexagonal flattened cross-section
  • FIG. 6 shows an embodiment of an actuator with a contact for applying a voltage.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a method for producing actuators, wherein the actuators are singulated from a piezoelectric multilayer structure in the form of a material block 100.
  • the material block has a plurality of piezoelectric material layers 10, between which electrode layers 20 are arranged in each case.
  • the piezoelectric ⁇ electrical layers can be formed of several layers of a thin film of a piezoelectric material, for example of lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the electrode layers can ⁇ for example, be printed or screen-printed on the film layers are applied as a conductive paste on the film layers.
  • a cutting device 200 For cutting the material block 100 into the individual actuators, a cutting device 200 is provided.
  • the cutting device 200 may have a plurality of cutting wires 210 stretched in parallel. To saw the block of material are the
  • Cutting wires 210 made movable longitudinally.
  • the material block is clamped during the sawing operation in a holding device, not shown in Figure 2.
  • the block of material is edgewise, that is, tilted by 90 ° compared to its position shown in Figure 1, clamped in the holding device.
  • the block of material 100 by means of the holding device to the cutting device 200, in particular to the cutting wires 220, arranged such that the cutter 200 Bezie ⁇ hung, the cutting wires 210 parallel to the normal to the layers of the material block 100, and in particular piezoelectric layers 10 or the electrode layers 20, are aligned.
  • the material block or the cutting device are moved to each other such that in the material block sections Sl, S2 are generated in at least two un ⁇ different directions Rl, R2.
  • the cutting device may be arranged stationarily and the block of material to be moved in at least two different loading ⁇ wegungscardien VI and V2.
  • cuts S1, S2 in the cutting directions R1, R2 are inserted into the material block opposite to the directions of movement VI, V2 of the material block.
  • the block of material is held stationary and, in addition to the movement of the cutting wires, the cutting device is moved longitudinally in at least two different directions of movement VI ', V2'.
  • the cutting device cuts in the material block with the cutting directions Rl and R2 in the directions VI 'and V2' of the movement of the cutting device are inserted.
  • the cutting directions Rl and R2 are parallel to the plane of the piezoelectric material layers 10 and parallel to the plane of the electrode layers of the Aktorbauele ⁇ management.
  • the cutting directions Rl and R2 are perpendicular to each other in said planes.
  • the material block and the cutter are aligned relative to each other to a position PI.
  • the first production step of the section Sl is introduced into the cut ⁇ direction Rl in the block of material.
  • the cutting direction Rl for example, runs parallel to an edge of the material block.
  • Cutting wires can be introduced parallel to each other in the material block simultaneously several cuts Sl in egg ⁇ ner series.
  • the material block 100 can be moved to the position P2 after the introduction of the cuts Sl in the direction of movement V2.
  • the movement of the cutting wires in the longitudinal direction creates cuts S2 in the material block, which are inserted at right angles to the cuts S1 in the block of material.
  • the cutting guide of the sections Sl and S2 in the first production step only in a first part 101 of the block of material, whereas a second part 102 of the material block initially remains uncut. Occurs
  • the cuts S1 and S2 a plurality of actuators adjacent to one another in a row RE1 can be sawed out of the material block at the same time.
  • the material block or the cutting device is subsequently moved back to the position PI relative to one another. Starting from the position PI, the first and second production steps are repeated in order to separate the next row RE2 of actuator components from the material block.
  • the cutting device in the first manufacturing step in a direction opposite to the direction of movement VI, ie in the cutting direction Rl, are moved and then in a movement direction V2 opposite direction of movement, that is, in the cutting direction R2, are moved.
  • FIG. 3 shows the separation of actuator components with a hexagonal cross section from a material block 100.
  • a cutting device 200 is provided which may have mutually parallel cutting wires 210.
  • the material block 100 is again edgewise clamped in a holding device such that the piezoelectric Mate ⁇ rial slaughteren 10 and the conductive layers 20 of the block of material perpendicular to the cutting device 210 and the cutting wires 210 of the cutting ⁇ device is aligned.
  • dicing the material block similar to the method described with reference to FIG.
  • the material block or the cutting device can be moved in such a way that cuts are produced in at least two different directions in the material block.
  • the cutting wires can be arranged at a distance, so that actuators 1 arranged side by side in a row RE1 are sawn out of the material block in an offset manner to actuators 1 arranged side by side in the next row RE2. This results in almost no loss of material during the
  • the actuators with a hexagonal cross-section are separated in rows from the material block 100 by a production method which comprises a first production step and a second production step.
  • 3 shows the first manufacturing step, in which a part of the outline of a six ecki ⁇ gen actuator from the block of material is cut out.
  • the material block is moved in the three directions of movement VI, V2 and V3.
  • the cutting wires of the cutting device thereby cut the block of material in the different cutting directions Rl, R2 and R3, so that during the first manufacturing step, the slices Sl, S2 and S3 are introduced into the Materi ⁇ alblock.
  • the successive cutting directions Rl and R2 or R2 and R3 can during the first manufacturing step, for example, by 60 ° zueinan ⁇ offset be aligned.
  • the material block for separating the actuators of the row RE2 is moved in a second production step in the horizontal direction, that is opposite to the direction V2, to an initial position for the section S1 of the actuators of the next row.
  • the first production ⁇ step is carried out again to cut out the actuator devices of the two ⁇ th row RE2 from the block of material.
  • Figure 5 shows a further disclosed embodiment, a herstel ⁇ averaging method, with the rows takes place a separation of actuator components of a block of material having a hexagonal cross section.
  • the sections S1, S2 and S3 are inserted into the material block with the cutting device described with reference to FIG. 3 in a first production step.
  • the cutting takes place as in the manufacturing ⁇ method of Figure 3, by the cutting directions are changed during cutting.
  • the material block 100 or the cutting device 200 in particular the
  • Cutting wires 210 moved in at least two directions.
  • the material block or the cutting device is moved to the initial position for the cuts Sl, S2 and S3, which are introduced into the material block for separating the next row of actuators.
  • the cut is made in such a way that the cut S2, which can run perpendicular or parallel to an edge of the material block, is longer than the remaining cuts S1 and S3. This exhibit the actuators to a toplat ⁇ tete or upset hexagonal cross-sectional shape.
  • FIG. 6 shows, by way of example, a cross section of a single already separated Aktorauele- element 1 with a flattened hexagonal cross-sectional shape.
  • the isolation zones 11 and 12 identify those areas where no inner electrode is inserted into the piezoelectric layer between piezoelectric material layers arranged one above the other. multilayered structure is introduced. For the sake of simplicity, two possible contacting forms of an actuator component in a figure are shown in FIG.
  • a contact 30 in the form of a contact plate or wire attached is on a side K2 of the actuator, which has been sawn ⁇ with the cut S2 from the block of material and has a longer edge length than the sides Kl and K3, through the cuts Sl and S3 from the material block are sawn, a contact 30 in the form of a contact plate or wire attached.
  • a contact can be one of the narrower sides K3 of the actuator, the example embodiment ⁇ with the section S3 sawed from the material block wor ⁇ is, a contact 30 in the form of a wire (wire harp) can be attached.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von piezoelektrischen Aktoren (1) aus einem Materialblock umfasst zunächst das Bereitstellen des Materialblocks (100) aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten piezoelektrischen Schichten (10), wobei jeweilige Oberflächen (O10) der Schichten übereinander angeordnet sind, und des Weiteren das Bereitstellen einer Schneideeinrichtung (200) zum Einfügen mindestens eines Schnittes (S1, S2, S3) in den Materialblock. Mindestens ein Aktor wird aus dem Materialblock vereinzelt durch Bewegen des Materialblocks (100) oder der Schneideeinrichtung (200) derart zueinander, dass der Materialblock durch die Schneideeinrichtung geschnitten wird, wobei eine Schnittrichtung (R1, R2, R3) der Schneideeinrichtung in der jeweiligen Ebene der Oberflächen (O10) der piezoelektrischen Schichten (10) des Materialblocks verläuft.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen von piezoelektrischen Aktoren aus einem Materialblock
Die Erfindung betrifft die Herstellung von piezoelektrischen Aktoren, insbesondere das Vereinzeln von piezoelektrischen Aktoren aus einem Materialblock.
Ein Piezoaktor umfasst eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, die übereinander gestapelt angeordnet sind. Zwi¬ schen den Schichten befinden sich elektrisch leitfähige
Schichten. Diese Elektrodenschichten sind in Stapelrichtung abwechselnd auf einen Bereich einer Seitenfläche des Aktor¬ bauelements herausgeführt und weisen von einem Bereich einer weiteren Seitenfläche einen Abstand auf. Diejenigen elekt¬ risch leitfähigen Schichten, die bis zu einer ersten Seitenfläche des Aktors herausgeführt sind, bilden erste Elektro¬ denschichten, während diejenigen leitfähigen Schichten, die in dem Stapel bis zu einer zweiten Seitenfläche des Aktors herausgeführt sind, zweite Elektrodenschichten bilden. Da¬ durch ergeben sich in dem Schichtstapel inaktive Zonen, in denen sich benachbarte Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität nicht überlappen. Die ersten und zweiten Elektro¬ denschichten können jeweils von außen über eine Kontaktfläche kontaktiert werden, wobei die Kontaktflächen jeweils entlang der ersten und zweiten Seitenfläche des Schichtstapels ange¬ ordnet sind.
Wenn an die ersten und zweiten Elektrodenschichten eine e- lektrische 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.
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 Be¬ zug 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.
Aktoren werden daher meist mit rechteckigem, insbesondere quadratischem Querschnitt, hergestellt. Figur 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 Sl S2 λ 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 auf¬ weisen. Zum Zersägen des Materialblocks in die in Figur 1 eingezeichneten quaderförmigen Aktoren 1 werden die Schneidedrähte in Längsrichtung bewegt.
In einem ersten Fertigungsschritt wird der Materialblock in eine bewegliche Haltevorrichtung eingespannt und in vertika¬ ler Richtung bewegt, so dass durch die Schneidedrähte in dem Materialblock 100 durch den gesamten Block durchgehende, gerade Schnitte Sl λ in der in Figur 1 eingezeichneten Schnittrichtung Rx vorgenommen werden. In einem drauffolgenden zwei- ten 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 Sl λ rechtwinklig angeordnete Schnitte S2 λ in den Material¬ block eingefügt. Auch beim zweiten Fertigungsschritt erfolgen durch die Bewegung der Schneidedrähte und des Materialblocks die Schnitte S2 λ in vertikaler Richtung Rx durch die gesamte Dicke des Materialblocks, so dass dieser komplett durch¬ schnitten wird. Alternativ zur Bewegung des Materialblocks in vertikal umgekehrter Richtung zur Schnittrichtung Rx könnte auch die Schneideeinrichtung in der Schnittrichtung Rx bewegt werden. Sowohl bei dem ersten als auch bei dem zweiten Fertigungsschritt erfolgt die Schnittrichtung Rx parallel zur Nor¬ malen der Ebene O10 der piezoelektrischen Schichten 10 beziehungsweise der Ebene O20 der Innenelektrodenschichten 20.
Mit dem anhand von Figur 1 veranschaulichten Herstellungsverfahren lassen sich Aktoren mit vier- beziehungsweise rechteckiger Querschnittsform aus dem Materialblock vereinzeln. Um die Forderung von In ektorherstellern nach einer Bauform mit rundem Querschnitt genüge zu tun, werden die Ecken der recht¬ eckig beziehungsweise quadratischen Bauform anschließend leicht verrundet. Im Vergleich zu einer runden Querschnitts¬ form weisen Aktoren einer derartigen Grundform bei gleicher Querschnittsfläche allerdings einen größeren Außendurchmesser auf .
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. .
Ein geeignetes Verfahren zum Herstellen von piezoelektrischen Aktoren aus einem Materialblock umfasst zunächst das Bereit¬ stellen 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.
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 Ma¬ terialblock herausgesägt werden. Dabei wird auf Schnitte ver¬ zichtet, 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 Ak¬ toren zerteilt wird. Dazu wird der Materialblock oder die Schneideeinrichtung in mindestens zwei Richtungen verfahren. Ein zweifaches Aufspannen des Materialblocks in einer Halte¬ vorrichtung 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 paket- tiert werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen, weiter veranschaulicht. Es zeigen:
Figur 1 eine Aus führungsform eines Verfahrens zur Herstel- lung von piezoelektrischen Aktoren mit rechteckigem Querschnitt,
Figur 2 eine weitere Aus führungsform eines Verfahrens zur
Herstellung von piezoelektrischen Aktoren mit rechteckigem Querschnitt,
Figur 3 einen Fertigungsschritt zur Herstellung von piezoelektrischen Aktoren mit sechseckigem Querschnitt,
Figur 4A eine Aus führungsform eines Aktors mit sechseckigem
Querschnitt im Vergleich zu einem Aktor mit rundem Querschnitt,
Figur 4B eine Aus führungsform eines Aktors mit quadratischem
Querschnitt im Vergleich zu einem Aktor mit rundem Querschnitt,
Figur 5 eine Aus führungsform eines Verfahrens zur Herstel¬ lung von piezoelektrischen Aktoren mit sechseckig abgeflachtem Querschnitt,
Figur 6 eine Aus führungsform eines Aktors mit einer Kontak- tierung zum Anlegen einer Spannung. Figur 2 zeigt eine Aus führungs form 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 piezo¬ elektrischen Schichten können aus mehreren Lagen einer dünnen Folie eines piezoelektrischen Materials, beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) , gebildet werden. Die Elektroden¬ schichten 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.
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.
Zur Fixierung des Materialblocks ist der Materialblock während des Sägevorgangs in eine in Figur 2 nicht dargestellte Haltevorrichtung eingespannt. Im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Verfahren ist der Materialblock hochkant, das heißt im Vergleich zu seiner in Figur 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 bezie¬ hungsweise die Schneidedrähte 210 parallel zur Normalen auf die Schichten des Materialblocks 100, insbesondere auf die piezoelektrischen Schichten 10 oder die Elektrodenschichten 20, ausgerichtet sind.
Zum Vereinzeln von Aktorbauelementen werden der Materialblock oder die Schneideeinrichtung derart zueinander bewegt, dass in dem Materialblock Schnitte Sl, S2 in mindestens zwei un¬ terschiedliche Richtungen Rl, R2 erzeugt werden.
Dazu kann die Schneideeinrichtung ortsfest angeordnet sein und der Materialblock in mindestens zwei unterschiedliche Be¬ wegungsrichtungen VI und V2 bewegt werden. Durch die Bewegung der Schneidedrähte in Längsrichtung werden in den Materialblock Schnitte Sl, S2 in den Schnittrichtungen Rl, R2 entgegengesetzt zu den Bewegungsrichtungen VI, V2 des Materialblocks eingefügt.
Bei einer anderen Aus führungs form des Verfahrens wird der Materialblock ortsfest gehalten und die Schneideeinrichtung zusätzlich zur Bewegung der Schneidedrähte in Längsrichtung in mindestens zwei unterschiedliche Bewegungsrichtungen VI', V2' bewegt. Durch diese Bewegung der Schneideeinrichtung werden in dem Materialblock Schnitte mit den Schnittrichtungen Rl und R2 in die Richtungen VI' und V2' der Bewegung der Schneideeinrichtung eingefügt.
Die Schnittrichtungen Rl und R2 verlaufen parallel zur Ebene der piezoelektrischen Materialschichten 10 beziehungsweise parallel zur Ebene der Elektrodenschichten des Aktorbauele¬ ments. Die Schnittrichtungen Rl und R2 verlaufen in den genannten Ebenen rechtwinklig zueinander.
Im Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Herstellungsverfahren wird bei dem Verfahren gemäß Figur 2 auf durchgehende Schnitte verzichtet. Stattdessen werden die Aktorbauelemente reihenweise aus dem Materialblock vereinzelt. Die Vereinze¬ lung eines Aktors umfasst einen ersten Fertigungsschritt und einen zweiten Fertigungsschritt.
Zunächst werden der Materialblock und die Schneideeinrichtung relativ zueinander auf eine Position PI ausgerichtet. In dem ersten Fertigungsschritt wird der Schnitt Sl in der Schnitt¬ richtung Rl in den Materialblock eingebracht. Die Schnittrichtung Rl verläuft beispielsweise parallel zu einer Kante des Materialblocks. Dazu kann beispielsweise der Material¬ block 100 entgegen der Schnittrichtung Rl in die Bewegungsrichtung VI bewegt werde, während die Schneideeinrichtung fest fixiert und nur die Schneidedrähte in Längsrichtung be¬ weglich sind. Aufgrund der mehreren parallel gespannten
Schneidedrähte können gleichzeitig mehrere Schnitte Sl in ei¬ ner Reihe parallel nebeneinander in den Materialblock eingebracht werden.
Zum Vereinzeln der Aktoren kann der Materialblock 100 nach dem Einbringen der Schnitte Sl 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 Sl in den Materialblock eingefügt werden. Um die Aktorbauelemente rei¬ henweise aus dem Materialblock heraus zu sägen, erfolgt die Schnittführung der Schnitte Sl 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 Sl und S2 eine Vielzahl von in einer Reihe RE1 nebeneinander liegenden Aktoren gleichzeitig aus dem Materialblock heraus gesägt werden. In einem zweiten Fertigungsschritt wird der Materialblock o- der die Schneideeinrichtung anschließend wieder auf die Position PI relativ zueinander bewegt. Ausgehend von der Position PI wird der erste und zweite Fertigungsschritt wiederholt, um die nächstfolgende Reihe RE2 von Aktorbauelementen aus dem Materialblock zu vereinzeln.
Alternativ zur Bewegung des Materialblocks in die Richtungen VI 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 VI, das heißt in der Schnittrichtung Rl, bewegt werden und anschließend in eine zur Bewegungsrichtung V2 entgegen gesetzten Bewegungsrichtung, das heißt in der Schnittrichtung R2, verfahren werden.
Im Gegensatz zu dem in Figur 1 gezeigten Verfahren zur Herstellung von Aktoren aus einem Materialblock ist bei dem Verfahren gemäß Figur 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 Rl, R2 in dem Materialblock entstehen. Die Aktoren werden in einem Arbeitsgang, bei ein- oder mehrfacher Änderung der Sägerichtung reihenweise gleichzeitig aus dem Block geschnitten.
Neben der rechteckigen Quaderform können mittels des Herstellungsverfahrens Aktorbauelemente mit beliebigen weiteren Querschnitten aus dem Materialblock vereinzelt werden. Die Figur 3 zeigt das Vereinzeln von Aktorbauelementen mit sechseckigem Querschnitt aus einem Materialblock 100. 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 Mate¬ rialschichten 10 beziehungsweise die leitfähigen Schichten 20 des Materialblocks senkrecht zu der Schneideeinrichtung 210 beziehungsweise zu den Schneidedrähten 210 der Schneide¬ einrichtung ausgerichtet ist. Zum Zersägen des Materialblocks können ähnlich dem anhand von Figur 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 .
Die Aktoren mit sechseckigem Querschnitt werden durch ein Herstellungsverfahren, das einen ersten Fertigungsschritt und einen zweiten Fertigungsschritt umfasst, reihenweise aus dem Materialblock 100 vereinzelt. Figur 3 zeigt den ersten Fertigungsschritt, bei dem ein Teil des Umrisses eines sechsecki¬ gen Aktors aus dem Materialblock heraus gesägt wird. Dazu wird der Materialblock in die drei Bewegungsrichtungen VI, V2 und V3 bewegt. Die Schneidedrähte der Schneideeinrichtung schneiden den Materialblock dadurch in den verschiedenen Schnittrichtungen Rl, R2 und R3, so dass während des ersten Fertigungsschrittes die Schnitte Sl, S2 und S3 in den Materi¬ alblock eingebracht werden. Die aufeinanderfolgenden Schnittrichtungen Rl und R2 beziehungsweise R2 und R3 können während des ersten Fertigungsschrittes beispielsweise um 60° zueinan¬ der versetzt ausgerichtet sein.
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 Sl der Aktoren der nächsten Reihe verfahren. Ausgehend von dieser Position wird der erste Fertigungs¬ schritt erneut ausgeführt, um die Aktorbauelemente der zwei¬ ten Reihe RE2 aus dem Materialblock herauszuschneiden.
Der erste und zweite Fertigungsschritt wird somit abwechselnd wiederholt, bis der gesamte Materialblock reihenweise in ein¬ zelne Aktoren zersägt worden ist. Anhand der in Figuren 3 gezeigten Vorgehensweise wird deutlich, dass mit dem Herstel¬ lungsverfahren nicht nur Aktoren mit rechteckigen Querschnitten, sondern auch andere Geometrien schnittverlustarm im Mehrfachschnitt hergestellt werden können.
Häufig wird für eine hohe Steif- und Festigkeit der Aktoren einerseits und für einen geringen Platzbedarf andererseits eine möglichst große Querschnittsfläche bei möglichst gerin¬ gem Außendurchmesser gefordert. Ein kreisförmiger Querschnitt würde dieser Forderung am ehesten genügen. Diese Querschnittsform 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 Figur 4A lassen sich 83% der Fläche eines Kreises mit glei¬ chem Außendurchmesser erzielen, während ein quadratischer Querschnitt gemäß Figur 4B nur 64% der Fläche eines Kreises einnimmt . Figur 5 zeigt eine weitere Aus führungs form eines Herstel¬ lungsverfahrens, mit dem ein Vereinzeln von Aktorbauelementen aus einem Materialblock mit sechseckigem Querschnitt reihenweise erfolgt. Dabei werden mit der anhand der Figur 3 be¬ schriebenen Schneideeinrichtung in einem ersten Fertigungsschritt die Schnitte Sl, S2 und S3 in den Materialblock eingefügt. Die Schnittführung erfolgt wie bei dem Herstellungs¬ verfahren der Figur 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 Sl, S2 und S3 verfahren, die zum Vereinzeln der nächstfolgenden Reihe von Aktoren in den Materialblock eingebracht werden.
Im Gegensatz zu dem in der Figur 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 Sl und S3. Dadurch weisen die Aktoren eine abgeplat¬ tete beziehungsweise gestauchte sechseckige Querschnittsform auf .
Eine derartige Querschnittsform ist besonders gut zur Kontak- tierung von Aktorbauelementen geeignet, insbesondere dann, wenn die Aktoren in einem Gehäuse mit einer runden Querschnittsform verbaut werden. Figur 6 zeigt beispielhaft einen Querschnitt eines einzelnen bereits vereinzelten Aktorauele- ments 1 mit abgeflachter sechseckiger Querschnittsform. Die Isolationszonen 11 und 12 kennzeichnen diejenigen Bereiche, an denen zwischen übereinander angeordneten piezoelektrischen Materialschichten keine Innenelektrode in die piezoelektri- sehe Vielschichtstruktur eingebracht ist. Der Einfachheit halber sind in Figur 6 zwei mögliche Kontaktierungsformen eines Aktorbauelements in einer Figur dargstellt. Bei einer ersten möglichen Aus führungs form wird an einer Seite K2 des Aktors, die mit dem Schnitt S2 aus dem Materialblock heraus¬ gesägt worden ist und eine längere Kantenlänge aufweist als die Seiten Kl und K3, die durch die Schnitte Sl und S3 aus dem Materialblock herausgesägt worden sind, ein Kontakt 30 in Form eines Kontaktbleches oder -siebes, angebracht. Bei einer weiteren möglichen Aus führungs form einer Kontaktierung kann an eine der schmäleren Seiten K3 des Aktors, die beispiels¬ weise mit dem Schnitt S3 aus dem Materialblock ausgesägt wor¬ den ist, kann ein Kontakt 30 in Form eines Drahtes (Drahtharfe) angebracht werden.
Bezugs zeichenliste
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

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von piezoelektrischen Aktoren (1) aus einem Materialblock, umfassend:
Bereitstellen des Materialblocks (100) aus einer Viel¬ zahl von übereinander gestapelten piezoelektrischen Schichten (10), wobei jeweilige Oberflächen (O10) der Schichten übereinander angeordnet sind,
Bereitstellen einer Schneideeinrichtung (200) zum Einfügen mindestens eines Schnittes (Sl, S2, S3) in den Material¬ block,
Vereinzeln mindestens eines Aktors (1) aus dem Material¬ block (100) durch Bewegen des Materialblocks (100) oder der Schneideeinrichtung (200) derart zueinander, dass der Materialblock (100) durch die Schneideeinrichtung (200) geschnitten wird, wobei eine Schnittrichtung (Rl, R2, R3) der Schneideeinrichtung in der jeweiligen Ebene der Oberflächen (O10) der piezoelektrischen Schichten (10) des Materialblocks verläuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend:
Ausrichten des Materialblocks (100) und der Schneideeinrichtung (200) vor dem Schritt des Vereinzeins des Aktors derart zueinander, dass durch das Bewegen der Schneideeinrichtung (200) oder des Materialblocks (100) die Schnittrichtung (Rl, R2, R3) der Schneideeinrichtung (200) in der Ebene der jeweiligen Oberflächen (O10) der Schichten des Materialblocks verläuft .
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
Bewegen des Materialblocks (100) oder der Schneideeinrichtung (200) vor dem Vereinzeln des mindestens einen Aktors (1) derart zueinander, dass mindestens ein Schnitt (Sl, S2, S3) in einen ersten Teil (101) des Materialblocks eingefügt wird, wobei ein zweiter Teil (102) des Materialblocks ungeschnitten bleibt .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei der Materialblock (100) oder die Schneideeinrichtung (200) derart zueinander bewegt werden, dass mehrere des min¬ destens einen Schnittes (Sl, S2, S3) mit jeweils verschiede¬ nen Schnittrichtungen (Rl, R2, R3) in den Materialblock eingefügt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei der Materialblock (100) oder die Schneideeinrichtung (200) derart zueinander bewegt werden, dass mehrere des min¬ destens einen Aktors (1) gleichzeitig aus dem Materialblock vereinzelt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei der Materialblock (100) oder die Schneideeinrichtung (200) derart zueinander bewegt werden, dass bei dem Schritt des Vereinzeins die mehreren des mindestens einen Aktors (1) in einer Reihe (RE1) nebeneinander angeordnet aus dem Materialblock (100) heraus geschnitten werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
- wobei der Materialblock (100) und die Schneideeinrichtung (200) zu dem Vereinzeln der in der Reihe (RE1) nebeneinander angeordneten mehreren des mindestens einen Aktors (1) auf ei¬ ne Postition (PI) relativ zueinander ausgerichtet werden,
- wobei der Materialblock (100) oder die Schneideeinrichtung (200) zu dem Vereinzeln einer der Reihe (RE1) nachfolgenden Reihe (RE2) von Aktoren auf die Position (PI) relativ zueinander bewegt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei der Materialblock (100) oder die Schneideeinrichtung (200) derart zueinander bewegt werden, dass die Schnittrichtungen (Rl, R2, R3) parallel zu den jeweiligen Ebenen der 0- berflächen (O10) der piezoelektrischen Schichten des Materialblocks verlaufen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei der Materialblock (100) oder die Schneideeinrichtung (200) derart zueinander bewegt werden, dass die Aktoren (1) aus dem Materialblock mit einer mehreckigen Querschnittsform vereinzelt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei der Materialblock (100) oder die Schneideeinrichtung (200) derart zueinander bewegt werden, dass die Aktoren (1) aus dem Materialblock jeweils mit einer sechseckigen Querschnittsform vereinzelt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
wobei die mehreren des mindestens einen Schnittes (Sl, S2, S3) in den Materialblock (100) derart eingefügt werden, dass die jeweiligen Querschnitte (Q) der vereinzelten Aktoren (1) jeweils Seiten (Kl, K2 ) mit einer unterschiedlichen Länge aufweisen .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
Bereitstellen des Materialblocks (100) mit elektrisch leitfähigen Schichten (21), die zwischen den piezoelektrischen Schichten (10) des Materialblocks (100) angeordnet sind,
Kontaktieren der jeweiligen elektrisch leitfähigen
Schichten (21) der vereinzelten Aktoren durch Anbringen einer Kontaktschicht (31) an eine jeweilige Seite (Kl) der verein- zelten Aktoren, die einen größere Fläche als eine jeweilige weitere Seite (K2) der vereinzelten Aktoren (1) aufweist.
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