DE102008024071B4

DE102008024071B4 - Verfahren zur Herstellung von Piezobiegewandlern sowie Piezonutzen zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102008024071B4
Application number: DE102008024071A
Authority: DE
Inventors: Christian Zwifka
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2008-05-17
Filing date: 2008-05-17
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-05-18
Also published as: DE102008024071A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Piezobiegewandlern, die jeweils einen zur elektrischen Kontaktierung dienenden endseitigen Kontaktierungsabschnitt (5) und mehrere unter Parallelausrichtung und durch einen Trennschlitz (4) zueinander beabstandet von dem Kontaktierungsabschnitt (5) wegragende Lamellenabschnitte (3) aufweisen, wobei der Kontaktierungsabschnitt (5) und die Lamellenabschnitte (3) eine gemeinsame Trägerstruktur (6) enthalten, die zumindest einseitig im Bereich jedes Lamellenabschnittes (3) mit einem streifenförmigen Piezoelement (12) belegt ist, wobei die Piezobiegewandler (1) aus einem plattenförmigen Piezonutzen (2) zugeschnitten und bei diesem Zuschneiden auch die Trennschlitze (4) eingeschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Piezonutzens (2) auf eine Tragplatte (25), die nach dem Zuschneiden die Trägerstrukturen (6) der einzelnen Piezobiegewandler (1) bildet, wenigstens einseitig ein plattenförmiger Maskenkörper (26) aufgebracht wird, der eine Mehrzahl von in den Bereichen der zu erzeugenden Lamellenabschnitte (3) angeordneten ersten Aufnahme- und Positionierdurchbre chungen (28) aufweist, in die anschließend Piezoplatten (36, 37) eingelegt werden, die nach dem Zuschneiden des Piezonutzens (2) die Piezoelemente...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Piezobiegewandlern, die jeweils einen zur elektrischen Kontaktierung dienenden endseitigen Kontaktierungsabschnitt und mehrere unter Parallelausrichtung und durch einen Trennschlitz zueinander beabstandet von dem Kontaktierungsabschnitt wegragende Lamellenabschnitte aufweisen, wobei der Kontaktierungsabschnitt und die Lamellenabschnitte eine gemeinsame Trägerstruktur enthalten, die zumindest einseitig im Bereich jedes Lamellenabschnittes mit einem streifenförmigen Piezoelement belegt ist, wobei die Piezobiegewandler aus einem plattenförmigen Piezonutzen zugeschnitten und bei diesem Zuschneiden auch die Trennschlitze eingeschnitten werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen als laminierten Verbundkörper ausgebildeten Piezonutzen zur Herstellung von Piezobiegewandlern, die jeweils einen zur elektrischen Kontaktierung dienenden endseitigen Kontaktierungsabschnitt und mehrere unter Parallelausrichtung und durch einen Trennschlitz zueinander beabstandet von dem Kontaktierungsabschnitt wegra gende Lamellenabschnitte aufweisen, wobei der Kontaktierungsabschnitt und die Lamellenabschnitte eine gemeinsame Trägerstruktur enthalten, die zumindest einseitig im Bereich jedes Lamellenabschnittes mit einem streifenförmigen Piezoelement belegt ist, wobei aus dem Piezonutzen mehrere Piezobiegewandler zugeschnitten werden können und der Piezonutzen eine nach dem Zuschneiden die Trägerstrukturen der einzelnen Piezobiegewandler bildende Tragplatte aufweist.
Gemäß einem solchen Verfahren herstellbare Piezobiegewandler, die auch als Schlitz- oder Spaltbiegewandler bezeichnet werden können, sind beispielsweise aus der EP 1 207 329 B1 bekannt. Sie enthalten jeweils einen endseitigen, der elektrischen Kontaktierung dienenden und meist auch zum Befestigen des Piezobiegewandlers genutzten Kontaktierungsabschnitt, von dem zwei mit jeweils mindestens einem Piezoelement belegte Lamellenabschnitte wegragen, die unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden können, um durch Verbiegen eine Auslenkbewegung hervorzurufen, die zum Öffnen oder Verschließen zu steuernder Ventilöffnungen herangezogen wird. Der Einsatz als Ventilglied ist jedoch nur eines von vielen Einsatzgebieten derartiger Piezobiegewandler.
Die Herstellung der Piezobiegewandler erfolgt in der Regel durch Vereinzelung aus einem sogenannten Piezonutzen, bei dem es sich um ein mehrschichtiges, plattenförmiges Gebilde han delt, in dem die diversen Komponenten der Piezobiegewandler so durch Laminieren zu einer Baueinheit zusammengefasst sind, dass anschließend nur noch ein der Vereinzelung dienender Zuschnitt erforderlich ist.
Der Piezonutzen wird bisher dadurch hergestellt, dass auf eine ein- oder mehrschichtige Tragplatte einseitig oder beidseitig eine durchgehende Platte aus im Folgenden als Piezomaterial bezeichnetem piezoelektrischem Material aufgebracht wird, sowie zusätzlich eine Mehrzahl von der späteren elektrischen Kontaktierung dienende metallische Kontaktierungsplättchen. Diese Anordnung wird in einem Laminierprozess zu einem Verbundkörper verpresst, der unmittelbar den Piezonutzen darstellt oder zur Fertigstellung des Piezonutzens nachträglich noch mit weiteren Bestandteilen bestückt wird, beispielsweise mit Elektrodenschichten und/oder Schutzlacken. Aus dem so gebildeten Piezonutzen werden dann die Piezobiegewandler ihrem gewünschten Umriss entsprechend herausgeschnitten, was in der Regel durch Sägen mittels einer Wafersäge geschieht, wobei auch die Piezoplatten mehrfach durchtrennt werden. In einem sich anschließenden Fertigungsschritt wird in jeden Piezobiegewandler der die beiden Lamellenabschnitte voneinander trennende Trennschlitz eingesägt, wozu es wegen des Piezomaterials wiederum einer Wafersäge bedarf, die allerdings zur Gewährleistung einer ausreichenden Schlitzbreite mehrmals zwischen die Lamellenabschnitte eingeführt werden muss.
Das Einschneiden der Trennschlitze durch eine Wafersäge führt in der Regel dazu, dass an den Schnittkanten des in der Regel aus Keramik bestehenden Piezomaterials, insbesondere auch am Endbereich des Trennschlitzes, Ausbrüche oder Risse entstehen. Dies beeinträchtigt die Funktionsweise und die Lebensdauer des Biegewandlers und führt zu einer unerwünschten Toleranzbreite, die sich bei den nachfolgenden Anwendungen des Biegewandlers, beispielsweise als das Schlussglied eines Ventils, als nachteilig erweisen. Eine reproduzierbare Fertigung der geschlitzten Piezobiegewandler ist praktisch nicht möglich.
Ein Verfahren der zuvor geschilderten Art geht beispielsweise aus der DE 10 2007 004 778 B3 hervor.
Aus der DE 42 33 933 A1 ist es in Verbindung mit der Herstellung eines Ultraschallmotors bekannt, zur Herstellung eines Piezonutzens auf eine nach dem Zuschneiden die Trägerstrukturen der einzelnen Piezobiegewandler bildende Tragplatte einseitig einen plattenförmigen Maskenkörper aufzubringen, der eine Mehrzahl von Durchbrechungen aufweist, in die Piezoplatten eingelegt werden, die nach dem anschließenden Zuschneiden des Piezonutzens die Piezoelemente bilden. Der Maskenkörper dient zur Positionierung der Piezoplatten und wird nach deren Festkleben auf der Tragplatte wieder entfernt, bevor der Zuschnitt des Piezonutzens erfolgt.
Die EP 1 921 687 A1 offenbart sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zum Herstellen von Piezobiegewandlern, wobei die Piezobiegewandler einen zur elektrischen Kontaktierung dienenden endseitigen Kontaktierungsabschnitt aufweisen und ferner mehrere von dem Kontaktierungsabschnitt wegragende Lamellenabschnitte. Kontaktierungsabschnitt und Lamellenabschnitte enthalten eine gemeinsame Trägerstruktur, die wenigstens einseitig im Bereich jedes Lamellenabschnittes mit einem streifenförmigen Piezoelement belegt ist. Letztlich werden die Piezobiegewandler aus einem plattenförmigen Piezonutzen zugeschnitten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und einen Piezonutzen zur Herstellung von Piezobiegewandlern der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich geschlitzte Piezobiegewandler zeitsparend, präzise und mit deutlich reduzierter Beeinträchtigung des Piezomaterials fertigen lassen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in Verbindung mit dem eingangs genannten Verfahren darin, dass zur Herstellung des Piezonutzens auf eine Tragplatte, die nach dem Zuschneiden die Trägerstrukturen der einzelnen Piezobiegewandler bildet, wenigstens einseitig ein plattenförmiger Maskenkörper aufgebracht wird, der eine Mehrzahl von in den Bereichen der zu erzeugenden Lamellenabschnitte angeordneten ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen aufweist, in die anschließend Piezoplatten eingelegt werden, die nach dem Zuschneiden des Piezonutzens die Piezoelemente bilden, worauf eine somit erhaltene Baugruppe zu einem zusammenhängenden Verbundkörper laminiert wird, wobei die ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen so ausgebildet und platziert sind, dass sich in den Bereichen der späteren Trennschlitze jeweils ein zwischen zwei ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen liegender Materialsteg des Maskenkörpers erstreckt.
Die Aufgabe wird ferner durch einen als laminierter Verbundkörper ausgebildeten Piezonutzen gelöst, bei dem die Tragplatte wenigstens einseitig von einem plattenförmigen Maskenkörper belegt ist, der eine Mehrzahl von in den Bereichen der zu erzeugenden Lamellenabschnitte angeordneten ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen aufweist, in die Piezoplatten eingelegt sind, die nach dem Zuschneiden des Piezonutzens die Piezoelemente bilden, wobei die ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen so ausgebildet und platziert sind, dass sich in den Bereichen der zu erzeugenden Trennschlitze jeweils ein zwischen zwei ersten Aufnahme- und Posi tionierdurchbrechungen liegender Materialsteg des Maskenkörpers erstreckt und wobei die Tragplatte, der Maskenkörper und die Piezoplatten in einem laminierten Verbundkörper vereinigt sind.
Auf diese Weise wird erreicht, dass der Piezonutzen in denjenigen Bereichen, in denen die Trennschlitze eingeschnitten werden, kein Piezomaterial aufweist. Zum Einbringen der Trennschlitze muss im Wesentlichen nur die Tragplatte und der im Bereich des gewünschten Trennschlitzes zwischen benachbarten Piezoplatten liegende Materialsteg des Maskenkörpers durchtrennt werden. Das Piezomaterial selbst erfährt also beim Einbringen der Trennschlitze keine Schneidbehandlung und kann somit keine Rissbildungen oder Ausbrüche erfahren. Die Breite des Trennschlitzes kann so gewählt werden, dass der Materialsteg nicht komplett herausgeschnitten wird, sondern noch ein mehr oder weniger dünner Materialbelag entlang den Längsrändern der Piezoelemente stehen bleibt.
Ausgangspunkt für die Piezoelemente der einzelnen Lamellenabschnitte sind Piezoplatten, die aus Piezomaterial bestehen und bei Bedarf auch schon vor dem Einlegen in den Maskenkörper bereits ein- oder beidseitig mit einer beispielsweise aufgesputterten Elektrodenschicht versehen sein können. Solche Piezoplatten lassen sich einzeln sehr präzise und mit geringer Beschädigungsanfälligkeit herstellen. Die Piezoplatten werden in Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen eingelegt, die von einem auf die Tragplatte aufgebrachten plattenförmigen Maskenkörper definiert werden und die so platziert sind, dass die Piezoplatten in denjenigen Bereichen der Tragplatte zu liegen kommen, aus denen nach dem Zuschnitt die Lamellenabschnitte entstehen. Die Piezoplatten sitzen so in den Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen, dass sie seitlich insbesondere ringsum vom Maskenkörper umschlossen sind und hierbei von den Rändern der Durchbrechungen exakt in der gewünschten Position gehalten werden. Die so zusammengelegten Komponenten werden durch Laminieren zu einem Verbundkörper vereinigt, der anschließend nur noch zur Vereinzelung der Piezobiegewandler zugeschnitten werden muss, wobei beim Einschneiden der Trennschlitze die schon angesprochenen Vorteile zu Tage treten.
Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren ferner, dass zum Einschneiden der Trennschlitze bei Bedarf auf eine konventionelle Säge zurückgegriffen werden kann, wobei durch die Breite des Sägeblattes problemlos die gewünschte Schlitzbreite gewählt werden kann, so dass man mit einem einzigen Sägeschnitt den Trennschlitz herstellen kann. Das Verfahren eignet sich auch für eine Großserienfertigung und verspricht im Vergleich zu dem eingangs erwähnten Herstellungsverfahren eine Zeitersparnis von mindestens ca. 60%. Dadurch, dass die Piezoele mente an ihren Rändern nicht mehr ausfransen, behält der Biegewandler eine hohe Steifigkeit, was im Betrieb einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet. Da die Position der Piezoplatten durch den Maskenkörper definiert vorgegeben wird, reduzieren sich zudem die Ausrichtmaßnahmen auf ein Minimum. In der Regel ist nur ein Ausrichten zwischen dem Maskenkörper und der Tragplatte erforderlich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Um auf ein Zerschneiden von Piezomaterial vollständig verzichten zu können, stattet man den Piezonutzen derart mit einzelnen Piezoplatten aus, dass jedem zu erzeugenden Lamellenabschnitt auf der entsprechenden Seite des Tragkörpers eine eigene Aufnahme- und Positionierdurchbrechung zugeordnet ist, in die eine ausschließlich für einen einzigen Lamellenabschnitt gedachte Piezoplatte eingelegt wird. Diese Piezoplatte repräsentiert nach der Vereinzelung der Piezobiegewandler ein Piezoelement. In der Regel wird man hier streifenförmige Piezoplatten in entsprechend länglich ausgebildeten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen platzieren. Man hat die Möglichkeit, als Piezoplatten vollständig vorkonfektionierte Piezoelemente einzulegen, deren Piezomaterial bereits mit den gewünschten Elektrodenschichten versehen ist.
Vorteilhaft ist das Verfahren allerdings auch dann schon, wenn zwar im Bereich der gewünschten Trennschlitze kein Piezomaterial vorhanden ist, das Vereinzeln der verschiedenen Piezobiegewandler jedoch gleichwohl einen glatten Durchschnitt von Piezomaterial erfordert. Ein solch einfacher, glatter Schnitt hat wesentlich weniger Beeinträchtigungen der Schnittkanten des Piezomaterials zur Folge, als wenn, wie bisher üblich, im Bereich der gewünschten Trennschlitze mehrmals mittels einer Wafersäge gesägt werden muss. Insofern kann das Verfahren auch dahingehend modifiziert werden, dass die Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen zumindest teilweise so angeordnet werden, dass sie sich jeweils gleichzeitig über zwei nebeneinanderliegende Bereiche der Tragplatte hinweg erstrecken, die nach dem Vereinzeln der Piezobiegewandler zu Lamellenabschnitten unterschiedlicher Piezobiegewandler gehören. In solche Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen wird dann jeweils eine Piezoplatte eingelegt, die etwa die doppelte Breite der angestrebten Piezoelemente aufweist und die beim Vereinzeln mittels eines Schneidwerkzeuges in zwei später zu unterschiedlichen Piezobiegewandlern gehörende Piezoelemente zerteilt werden. Ein derart modifiziertes Verfahren hat den Vorteil, dass der Zeitaufwand für das Ein legen der Piezoplatten wegen der geringeren Anzahl von Platten reduziert ist. Außerdem ist die Herstellung des Maskenkörpers hier in der Regel kostengünstiger.
Meist sind die Piezobiegewandler an ihren Kontaktabschnitten einseitig oder zweiseitig mit metallischen Kontaktierungsplättchen ausgestattet, die der elektrischen Kontaktierung von insbesondere der Innenelektrode des zugeordneten Piezoelementes dienen. Solche Kontaktierungsplättchen können in vergleichbarer Weise wie die Piezoplatten vor dem Herstellen des laminierten Verbundkörpers in eigens für sie vorgesehene Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen des Maskenkörpers eingelegt werden. Zur besseren Unterscheidung seien diese Durchbrechungen als zweite Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen bezeichnet, während die für die Piezoplatten bestimmten Durchbrechungen als erste Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen bezeichnet werden. Somit erspart man sich auch hinsichtlich der Kontaktierungsplättchen aufwendige Maßnahmen zur Positionierung und Fixierung vor dem Laminieren. Durch das Einlegen erhalten die in der Regel metallischen Kontaktierungsplättchen eine definierte Relativposition bezüglich den zugeordneten Piezoelementen.
Es wäre prinzipiell möglich, die ersten und zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen so auszubilden, dass sie zu mindest bereichsweise ineinander übergehen. Damit jedoch die einzulegenden Komponenten besonders exakt an Ort und Stelle festgehalten werden, empfiehlt sich eine Abtrennung der beiderseitigen Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen durch versteifend wirkende Materialstege des Maskenkörpers.
Das geschilderte Verfahren bietet auch die Möglichkeit, durch eine einfache Maßnahme eine relativ große Baulänge der Lamellenabschnitte zu realisieren, ohne auf teures Piezomaterial zurückgreifen zu müssen. Hierzu genügt es, wenn man die Tragplatte und den plattenförmigen Maskenkörper derart gestaltet, dass die Tragplatte innerhalb des Piezonutzens stirnseitig über die Piezoplatten hinausragt und in diesem Bereich von dem Maskenkörper belegt ist, so dass nach dem Zuschnitt des Piezonutzens jeder Lamellenabschnitt endseitig im Anschluss an das Piezoelement durch einen Abschnitt des Maskenkörpers verlängert ist. Auf diese Weise ermöglichen die Lamellenabschnitte trotz geringer Materialkosten relativ große Auslenkungen.
Als Material für den Maskenkörper verwendet man insbesondere ein Kunststoffmaterial, das sich problemlos sägen oder auf sonstige Arten leicht zerteilen lässt. Um gleichwohl eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten, empfiehlt sich ein glasfaserverstärktes Kunststoffmaterial. Besonders geeignet ist sogenanntes Vetronit.
Der Schichtaufbau des Piezonutzens wird insbesondere so gewählt, dass der Maskenkörper und die eingelegten Piezoplatten zumindest im Wesentlichen die gleiche Materialdicke aufweisen.
Der Maskenkörper wird zweckmäßigerweise als eigenständiger Körper hergestellt und anschließend mit der Trägerplatte kombiniert. Geeignete Ausrichtmarkierungen können hierbei eine exakte Ausrichtung vereinfachen. Die Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen können beispielsweise herausgestanzt oder mittels eines Laserstrahls herausgeschnitten werden.
Es wäre gleichwohl prinzipiell möglich, die Durchbrechungen erst dann aus einem plattenförmigen Maskengrundkörper herauszuarbeiten, nachdem selbiger mit der Tragplatte vereinigt worden ist. Dies könnte beispielsweise bei entsprechender Materialwahl durch ein chemisches Verfahren erfolgen.
Auf die geschilderte Art und Weise lassen sich Piezonutzen herstellen, bei denen die Tragplatte nur einseitig oder auf beiden Seiten mit einem Maskenkörper belegt ist. Sollen Biegewandler realisiert werden, deren Trägerstruktur nur einseitig mit Piezomaterial belegt ist, wird nur ein Maskenkörper benötigt. Zur Herstellung von Piezobiegewandlern, deren Lamellenabschnitte beidseits mit Piezoelementen belegt sind, greift man auf einen mit zwei Maskenkörpern bestückten Piezonutzen zurück.
Für die Tragplatte empfiehlt sich ein mehrschichtiger Aufbau. Eine elektrisch nichtleitende Mittelschicht kann von zwei elektrisch leitenden Außenschichten flankiert sein, auf denen jeweils ein Maskenkörper platziert wird und die die elektrische Verbindung zwischen der Innenelektrode der Piezoelemente und den eventuell vorhandenen Kontaktierungsplättchen herstellen.
Das Zuschneiden der Piezobiegewandler erfolgt zweckmäßigerweise derart, dass man den Piezonutzen in einem ersten Arbeitsgang außen ringsum besäumt bzw. beschneidet und anschließend oder gleichzeitig die Vereinzelung in die gewünschten Piezobiegewandler durchführt. In einem sich daran anschließenden Arbeitsgang werden dann die Trennschlitze herausgesägt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine mögliche Bauform eines durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren zweilamelligen Piezo biegewandlers in einer perspektivischen Darstellung,
2 einen Längsschnitt durch den Piezobiegewandler aus 1 gemäß Schnittlinie II-II, wobei ein Ausschnitt zusätzlich vergrößert abgebildet ist,
3 den Piezonutzen in einer Explosionsdarstellung zur Verdeutlichung der einzelnen Komponenten, wobei unterschiedliche Maßnahmen zur Realisierung der Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen für die Piezoplatten gezeigt sind, und
4 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß hergestellten Piezonutzen mit strichpunktierter Andeutung der zum Zuschneiden der Piezobiegewandler vorzugsweise durchzuführenden Zuschneidearbeiten.
Die 1 und 2 zeigen einen von einer Vielzahl von Piezobiegewandlern 1, die sich durch Zuschneiden eines zuvor hergestellten, in 3 und 4 gezeigten Piezonutzens herstellen lassen.
Der Piezowandler 1 kann als Spaltbiegewandler oder Schlitzbiegewandler bezeichnet werden, weil er über zwei mit Parallelausrichtung nebeneinander angeordnete Lamellenabschnitte 3 verfügt, die durch einen sich zwischen ihnen erstreckenden Trennschlitz 4 zueinander beabstandet sind. Die rückseitigen Endbereiche beider Lamellenabschnitte 3 sind fest mit einem plattenförmigen Kontaktierungsabschnitt 5 verbunden, gemeinsam mit dem sie, in Draufsicht gesehen, eine im Wesentlichen U-förmige Struktur bilden.
Der Trennschlitz 4 endet rückseitig im Übergangsbereich zwischen den beiden Lamellenabschnitten 3 und dem Kontaktierungsabschnitt 5. An der entgegengesetzten Vorderseite ist er offen. Die Lamellenabschnitte 3 ragen frei endend in die gleiche Richtung von dem Kontaktierungsabschnitt 5 weg.
Der Piezobiegewandler 1 enthält eine den Lamellenabschnitten 3 und dem Kontaktierungsabschnitt 5 gemeinsam zugeordnete Trägerstruktur 6. Sie bildet einen gemeinsamen Kern dieser vorgenannten Abschnitte 3, 5 und ist deshalb ebenfalls im Wesentlichen U-förmig geformt. Vorzugsweise ist die Trägerstruktur mit einem Mehrschichtaufbau versehen, wobei sie beim Ausführungsbeispiel eine elektrisch nicht leitende, insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial bestehende Mittelschicht 7 aufweist, die zwischen zwei elektrisch leitfähigen Außenschichten 8 liegt, deren Leitfähigkeit insbesondere dadurch realisiert ist, dass sie aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial bestehen.
Die Trägerstruktur 6 ist im Bereich jedes Lamellenabschnittes 3 bevorzugt beidseitig – also an den beiden großflächigen Flächen – mit jeweils einem streifenförmigen Piezoelement 12 belegt. Die Piezoelemente 12 bestehen jeweils aus einem monolithisch oder als Multilayer aufgebauten Piezomaterialkörper, der an seinen beiden voneinander abgewandten Flachseiten mit jeweils einer dünnen Elektrodenschicht 13 überzogen ist. Bei ihr handelt es sich insbesondere um eine durch Sputtern aufgebrachte, elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine Goldschicht. Das Piezomaterial ist ein piezoelektrisch aktivierbares Material beliebiger Art, insbesondere eine Blei-Zirkonat-Titan-Oxid-Keramik (PZT). Die eine Elektrodenschicht 13 ist der Trägerstruktur 6 zugewandt und bildet eine Innenelektrode des betreffenden Piezoelementes 12. Die andere Elektrodenschicht 13 liegt außen und bildet die Außenelektrode des entsprechenden Piezoelementes 12.
Die die Außenelektroden bildenden Elektrodenschichten 13 werden insbesondere an den dem Kontaktierungsabschnitt 5 zugewandten Endabschnitt des jeweiligen Lamellenabschnittes 3 elektrisch kontaktiert. In 1 erkennt man hierzu angelötete erste elektrische Leiter 14a, insbesondere Drähte.
Auf Grund des bezüglich der von der Trägerstruktur 6 aufgespannten zentralen Hauptausdehnungsebene 15 spiegelsymmetri schen Aufbaues des Biegewandlers 1 trägt jeder Lamellenabschnitt 3 sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite ein entsprechend kontaktiertes Piezoelement 12. Die zur Kontaktierung der unteren Piezoelemente 12 dienenden ersten elektrischen Leiter sind in der Zeichnung nicht abgebildet.
Die elektrische Kontaktierung der als Innenelektroden fungierenden Elektrodenschichten 13 geschieht jeweils unter Mitwirkung eines elektrisch leitenden, insbesondere aus Metall bestehenden Kontaktierungsplättchens 16, von denen je eines im Bereich des Kontaktierungsabschnittes 5 auf jeder Seite der Trägerstruktur 6 angeordnet ist. Die Innenelektroden sind jeweils über die an ihnen anliegende leitfähige Außenschicht 8 der Trägerstruktur 6 mit dem im Kontaktierungsabschnitt 5 auf der gleichen Außenschicht 8 liegenden Kontaktierungsplättchen 6 elektrisch leitend verbunden. An diesem Kontaktierungsplättchen 16 kann dann wie bei den Außenelektroden ein wegführender zweiter elektrischer Leiter 14b angeschlossen und insbesondere angelötet werden.
Im elektrisch deaktivierten Zustand erstreckt sich der gesamte Piezobiegewandler 1 normalerweise in der zentralen Hauptausdehnungsebene 15. Durch elektrische Aktivierung mittels geeigneter Spannungsanlegung an die elektrischen Leiter 14a, 14b können die Piezoelemente 12 piezoelektrisch aktiviert werden, was eine Auslenkung der Lamellenabschnitte 3 rechtwinkelig zu der zentralen Hauptausdehnungsebene 15 zur Folge hat, wobei die Auslenkrichtung davon abhängt, ob das obere oder das untere Piezoelement 12 aktiviert wird. Beim Auslenken biegen sich die Lamellenabschnitte 3 gemäß Doppelpfeil 17 durch, wobei der Auslenkweg ausgehend vom Kontaktierungsabschnitt 5 in Richtung zum freien Ende der Lamellenabschnitte 3 hin zunimmt. Bei üblichen Anwendungen ist der Piezobiegewandler 1 im Bereich des Kontaktierungsabschnittes 5 an einer Tragstruktur fixiert, beispielsweise in einem Ventilgehäuse fest eingespannt.
An der dem Kontaktierungsabschnitt 5 entgegengesetzten Vorderseite der Lamellenabschnitte 3 ragt die Trägerstruktur 6 ein Stück weit axial über die jeweils zugeordneten Piezoelemente 12 hinaus. Dieser Verlängerungsabschnitt 18 ist auf beiden Seiten in unmittelbarem Anschluss an das zugeordnete Piezoelement 12 mit einem piezoelektrisch passiven Verlängerungselement 22 belegt, insbesondere aus einem glasfaserverstärktem Kunststoffmaterial bestehend. Auf diese Weise erhält man eine relativ große Länge der Lamellenabschnitte 3 bei vergleichsweise geringem Verbrauch an Piezomaterial. Die Höhe der Verlängerungselemente 22 entspricht zweckmäßigerweise derjenigen der Piezoelemente 12, so dass sich an den Außenflächen ein absatzloser Übergang ergibt.
Vorzugsweise sind die als Außenelektroden fungierenden äußeren Elektrodenschichten 13 der Piezoelemente 12 mit einer elektrisch nicht leitenden Schutzschicht 23, insbesondere einem Schutzlack, überzogen. Dieser weist an der dem Kontaktierungsabschnitt 5 zugewandten Stirnseite zweckmäßigerweise eine Aussparung 24 auf, durch die die Elektrodenschicht zur Ermöglichung der Kontaktierung der ersten elektrischen Leiter 14a freigelegt ist.
Der Piezobiegewandler 1 wird, abgesehen vom anschließend erst stattfindenden Anbringen der ersten und zweiten elektrischen Leiter 14, 14b, durch Zuschneiden des schon erwähnten Piezonutzens 2 hergestellt. Dabei können aus dem Piezonutzen 2 mehrere Piezobiegewandler 1 der beschriebenen Art herausgeschnitten werden. Das Zuschneiden erfolgt mittels eines geeigneten Schneidwerkzeuges, insbesondere mittels einer oder mehrerer Sägen.
Die 3 zeigt einen in vorteilhafter Weise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbaren Piezonutzen 2. Ein vorteilhafter Verfahrensablauf zu seiner Herstellung stellt sich wie folgt dar.
Zunächst bildet man eine die späteren Trägerstrukturen 6 ergebende Tragplatte 25 aus einer der Anzahl der Schichten der Trägerstrukturen 6 bestehenden Anzahl von aufeinanderliegenden Trägerschichten 7a, 8a. Die mittlere Trägerschicht 7a entspricht später der Mittelschicht 7, und zwei die mittlere Trägerschicht 7a sandwichartig zwischen sich einschließende äußere Trägerschichten 8a bilden später die beiden Außenschichten 8. Die Trägerschichten 7a, 8a werden zweckmäßigerweise in Form sogenannter Prepregs bereitgestellt, bei denen es sich um ein Halbzeug in Gestalt eines plattenartigen, noch nicht ausgehärteten, biegeschlaffen Rohlings mit eingebetteten Verstärkungsfasern handelt. Die Verstärkungsfasern liegen zweckmäßigerweise in einer oder mehreren unidirektionalen Schichten vor, die sich in Längsrichtung oder Querrichtung des Prepregs erstrecken. Allerdings ist auch eine gewebeartige Verteilung möglich. Im noch nicht ausgehärteten Zustand lassen sich die Prepregs leicht verformen und in die gewünschte Gestalt bringen. Auf Grund ihrer klebrigen Konsistenz haften sie aneinander, wenn sie aufeinandergelegt sind. Es liegt dann eine zunächst noch flexible, einen Mehrschichtaufbau aufweisende Tragplatte 25 vor, die in einem späteren Laminiervorgang ausgehärtet wird.
Das Material der mittleren Trägerschicht 7a entspricht demjenigen der Mittelschicht 7, dasjenige der äußeren Trägerschichten 8a demjenigen der Außenschichten 8.
Auf die noch nicht laminierte Tragplatte 25 wird anschließend beidseitig, also an beiden großen Plattenflächen, jeweils ein plattenförmiger Maskenkörper 26 aufgebracht. Er besteht zweckmäßigerweise aus einem glasfaserverstärkten, elektrisch nicht leitenden Kunststoffmaterial, das schon ausgehärtet sein kann oder aber auch in der Form eines Prepregs bereitgestellt werden kann. zweckmäßigerweise entspricht die Außenkontur der Maskenkörper 26 derjenigen der Tragplatte 25 – beim Ausführungsbeispiel ist eine rechteckige Außenkontur gewählt – so dass durch bündiges Aufeinanderlegen eine exakte Positionierung der Maskenkörper 26 auf der Tragplatte 25 möglich ist. Alternativ oder zusätzlich können auch spezielle Ausrichtmarkierungen oder Ausrichtmittel vorhanden sein. Das gegenseitige Ausrichten kann auch dadurch bewerkstelligt werden, dass man die Teile in einem positionierend wirkenden Werkzeug aufeinanderlegt.
Normalerweise sind die beiden Maskenkörper 26 identisch strukturiert, so dass sich eine bezüglich der Plattenebene der Tragplatte 25 spiegelsymmetrische Anordnung ergibt. In 3 sind allerdings zur Illustration verschiedener möglicher Strukturierungen der Maskenkörper 26 zwei unterschiedliche Ausführungsformen gezeigt, die eine oberhalb und die andere unterhalb der Tragplatte 25 liegend.
Die Maskenkörper 26 zeichnen sich zunächst dadurch aus, dass sie jeweils eine Mehrzahl von in Richtung einer Aufreihungsachse 27 nebeneinanderliegend angeordneten ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 aufweisen, die den plattenförmigen Maskenkörper 26 jeweils in Dickenrichtung durchsetzen, bei denen es sich also um Löcher in dem Maskenkörper 26 handelt. Diese ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 haben jeweils eine längliche, streifenförmige Gestalt, wobei sie längsseits nebeneinanderliegen und ihre Längsachsen 32 jeweils rechtwinkelig zur Aufreihungsachse 27 ausgerichtet sind. Im Falle des in 3 oberen Maskenkörpers 26 entspricht die Außenkontur jeder ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechung 28 derjenigen eines Piezoelementes 12. Bei der in 3 unteren Ausführungsform des Maskenkörpers 26 haben alle ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 die gleiche Länge, während die Breite nur bei den beiden äußeren ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 derjenigen eines Piezoelementes 12 entspricht und alle anderen ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 in etwa die doppelte Breite eines Piezoelementes 12 aufweisen.
Neben der Reihe erster Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 weist jeder Maskenkörper 26 eine Reihe zweiter Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 29 auf, deren Aufreihungsrichtung mit derjenigen der ersten Aufnahme- und Positionier durchbrechungen 28 zusammenfällt. Die zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 29 haben eine längliche Gestalt, wobei ihre Längsachsen 33 rechtwinkelig zu den Längsachsen 32 der ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 ausgerichtet sind.
Die Anordnung und Verteilung der ersten und zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28, 29 ist bei dem in 3 oberen Ausführungsbeispiel so gewählt, dass sich gruppenweise Zuordnungen ergeben, die denjenigen der beiden Piezoelemente 12 und des Kontaktierungsplättchens 16 eines späteren Piezobiegewandlers 1 entsprechen. Folglich erstreckt sich jeweils eine zweite Aufnahme- und Positionierdurchbrechung 29 stirnseitig vor zwei Endabschnitten zweier quer dazu verlaufender, nebeneinanderliegender erster Aufnahme- und Positonierdurchbrechungen 28.
Die Strukturierung des in 3 unten abgebildeten Maskenkörpers 26 unterscheidet sich hiervon nur dadurch, dass zwei unmittelbar benachbarten zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 29 jeweils eine der breiteren ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 gemeinsam zugeordnet ist, letztere also jeweils zwei unmittelbar aufeinanderfolgende zweite Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 29 ein Stück weit überlappen.
Alle Durchbrechungen 28, 29 sind zweckmäßigerweise eigenständig ausgebildet und jeweils für sich vom Material des Maskenkörpers 26 umrahmt. Der Maskenkörper selbst hat zweckmäßigerweise einen äußeren Rahmenabschnitt 34, der sämtliche Durchbrechungen 28, 29 umrahmt. Unmittelbar benachbarte Durchbrechungen sind zweckmäßigerweise durch schmale Materialstege 35 des Maskenkörpers 26 voneinander abgeteilt.
Hergestellt werden die verschiedenen Durchbrechungen 28, 29 beispielsweise durch Ausstanzen oder durch Ausschneiden mittels Laserstrahl, bevor der im Wesentlichen plattenförmige Maskenkörper 26 und die Tragplatte 25 aufeinandergelegt werden. Prinzipiell wäre es allerdings auch denkbar, einen zunächst noch undurchbrochenen Maskenkörper 26 mit der Tragplatte 25 zu vereinen und erst anschließend die Durchbrechungen 28, 29 auszubilden.
Nachdem die Tragplatte 25 und die Maskenkörper 26 aneinandergelegt sind, werden die ersten und zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28, 29 bestückt. In die zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 29 werden Kontaktierungsplättchen 16 eingelegt. In die ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 kommen Piezoplatten 36, 37.
Die Durchbrechungen 28, 29 sind so konturiert, dass die in sie eingelegten Bauteile 36, 37, 16 in der Ausdehnungsebene des plattenförmigen Maskenkörpers 26 unbeweglich fixiert sind. Um dies einfach zu erreichen, werden die Durchbrechungen 28, 29 zweckmäßigerweise mit einer solchen Außenkontur hergestellt, die der Außenkontur des jeweils aufzunehmenden Teils 36, 37, 16 entspricht. Somit erhalten die Piezoplatten 36, 37 und Kontaktierungsplättchen 16 bezüglich der unter ihnen liegenden Tragplatte 25 eine exakt definierte Position.
Bei einem Maskenkörper 26 der in 3 oben abgebildeten Ausführungsform können als Piezoplatten 36 unmittelbar bereits die vorkonfektionierten Piezoelemente 12 eingelegt werden. Diese werden in einem gesonderten Arbeitsgang gefertigt, was sehr exakte Kantenverläufe ermöglicht und Beschädigungen des empfindlichen Piezomaterials bei der Herstellung verhindert. Die vorkonfektionierten Piezoelemente können als Piezomaterialstreifen mit bereits aufgebrachten Elektrodenschichten 13 ausgebildet sein und bei Bedarf auch schon die einseitig aufgebrachte Schutzschicht 23 aufweisen.
Wenn die Kontaktierungsplättchen 16 und Piezoplatten 36 in den in 3 oberen Maskenkörper 26 eingelegt sind, ergibt sich eine Mehrfachanordnung von Gruppen eingelegter Teile, wobei die Gruppierung innerhalb der Gruppen derjenigen jeweils eines fertigen Piezobiegewandlers 1 entspricht.
Mit anderen Worten sind bei dem in 3 oberen Ausführungsbeispiel die ersten und zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28, 29 so angeordnet, dass jedem späteren Lamellenabschnitt 3 eine eigene erste Aufnahme- und Positionierdurchbrechung 28 und außerdem jedem späteren Kontaktierungsabschnitt 5 eine eigene zweite Aufnahme- und Positionierdurchbrechung 29 zugeordnet ist, wobei in diese Durchbrechungen 28, 29 die Piezoplatten 36 und Kontaktierungsplättchen 16 eingelegt sind.
Bei dem in 3 unten abgebildeten Maskenkörper 26 werden in die zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 29 ebenfalls die Kontaktierungsplättchen 16 eingelegt. Ebenso können in die die einfache Breite von Piezoelementen 12 aufweisenden äußeren ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 vorkonfektionierte Piezoelemente 12 eingelegt werden. Die doppelt breiten ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 hingegen werden mit entsprechend doppelt breiten Piezoplatten 37 bestückt. Diese erstrecken sich folglich jeweils ein Stück weit längs zweier aufeinanderfolgender Kontaktierungsplättchen 16 und überbrücken dabei auch noch den zwischen diesen vorhandenen, von einem Materialsteg 35 ausgefüllten Zwischenraum.
Nachdem der Tragkörper 25 mit den beiden Maskenkörpern 26 belegt ist und die Piezoplatten 36, 37 sowie die Kontaktierungsplättchen 16 in die Aufnahme- und Positionierungsdurchbrechungen 28, 29 eingelegt sind, wird die dadurch entstandene Baugruppe einem Laminierungsprozess ausgesetzt, so dass aus ihr ein zusammenhängender plattenförmiger Verbundkörper entsteht. Dieser kann insbesondere dann, wenn die ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 mit vorkonfektionierten Piezoelementen 12 als Piezoplatten 36 belegt worden sind, unmittelbar den Piezonutzen bilden. Es können sich aber auch noch weitere Bearbeitungsschritte zur Vervollständigung des Piezonutzens 2 anschließen, beispielsweise ein oder mehrere Beschichtungsvorgänge, um beispielsweise eventuell noch fehlende Elektrodenschichten 13 oder Schutzschichten 23 aufzubringen. Dies gilt vor allem für eine Ausführungsform gemäß dem in 3 unteren Beispiel. Allerdings können auch hier sämtliche Piezoplatten 36, 37 schon vor dem Einlegen mit den erforderlichen Elektrodenschichten 13 und eventuell gewünschten Schutzschichten 23 versehen sein, so dass sich nachgeordnete Verarbeitungsschritte erübrigen und auch hier durch das Laminieren direkt der in sich starre plattenförmige Piezonutzen 2 entsteht.
Der Piezonutzen 2 wird anschließend so zugeschnitten, dass sich die vorgesehene Anzahl von einzelnen Piezobiegewandlern 1 ergibt. In 4 sind anhand eines schematisch angedeuteten Piezonutzens 2 in strichpunktierter Form mehrere Schnittlinien angedeutet, entlang denen der Zuschnitt erfolgen kann, um die Piezobiegewandler 1 zu erhalten.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass sich auf die geschilderte Weise selbstverständlich auch ein Piezonutzen herstellen lässt, der nur auf einer Seite der Tragplatte 25 einen mit Biegewandlerkomponenten bestückten Maskenkörper 26 aufweist. In diesem Fall kann die Anzahl der Trägerschichten des Tragkörpers 25 auch verringert sein. Die auf diese Weise herstellbaren Piezobiegewandler 1 ermöglichen wegen der nur einseitigen Belegung der Lamellenabschnitte 3 mit Piezoelementen 12 eine aktive Ausrichtung in nur einer Richtung, während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Auslenkung in zwei einander entgegengesetzte Richtungen möglich ist.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass auf die zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 29 auch verzichtet werden kann, wenn die Kontaktierungsplättchen 16 in anderer Weise fixiert werden oder wenn die elektrische Kontaktierung auf eine andere Weise stattfinden soll.
Die 4 illustriert strichpunktiert ein bevorzugtes Schnittmuster zum insbesondere durch Sägen erfolgenden Zuschneiden des Piezonutzens 2.
Demnach wird der Piezonutzen 2 in einem ersten Arbeitsschritt ringsum besäumt. Dies geschieht exemplarisch durch vier Sägeschnitte entlang den strichpunktiert angedeuteten ersten Schnittlinien 38. Auf diese Weise sind die vorderen und hinteren Abschlusskanten der Piezobiegewandler 1 festgelegt, sowie je eine äußere Seitenkante der beiden außenliegenden Piezobiegewandler 1 des Wandlerverbundes.
Als nächstes wird der Piezonutzen 2 entlang zweiten Schnittlinien 42 zwischen denjenigen Bereichen durchtrennt, die die einzelnen Piezobiegewandler 1 definieren. Danach liegen die Piezobiegewandler 1 in vereinzelter Form vor.
Alternativ können die Schnitte entlang den zweiten Schnittlinien 42 auch gleichzeitig mit den hierzu parallelen äußeren Besäumungsschnitten durchgeführt werden.
Wenn die Piezoelemente 12 der innerhalb des Piezonutzens 2 nebeneinanderliegenden Lamellenabschnitte 3 benachbarter Piezobiegewandler 1 durch Piezoplatten 36 realisiert werden, deren Breite derjenigen der Piezoelemente 12 entspricht, verläuft zwischen benachbarten Biegewandlerbereichen ein erster Materialsteg 35a des Maskenkörpers 26, der sich über die gesamte Länge des gewünschten Piezobiegewandlers 1 erstreckt. Durch diese ersten Materialstege 35a hindurch verlaufen dann die zweiten Schnittlinien 42. Das Vereinzeln der Piezobiegewandler 1 erfordert folglich kein Durchtrennen von Piezomaterial. Es muss lediglich weicheres Kunststoffmaterial gesägt werden, was mittels handelsüblichen Sägemaschinen geschehen kann und folglich sehr kostengünstig abzuwickeln ist. Dies gilt für eine Anordnung, wie sie in 3 oben abgebildet ist.
Anders verhält es sich bei dem in 3 unten gezeigten Ausführungsbeispiel. Hier erstrecken sich einige der ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 gleichzeitig über jeweils solche zwei nebeneinanderliegenden Bereiche der Tragplatte 25, die nach dem Zuschneiden des Piezonutzens 2 zu Lamellenabschnitten 3 unterschiedlicher Piezobiegewandler 1 gehören. Dies führt dazu, dass die hier eingelegte breitere Piezoplatte 36 bei einem Schnitt entlang der zweiten Schnittlinie 42 im Wesentlichen breitenmittig durchtrennt wird und dadurch in Piezoelemente 12 unterschiedlicher Piezobiegewandler 1 unterteilt wird. In 4 ist dies anhand einer breiteren Piezoplatte 37 verdeutlicht, wobei darauf hinzuweisen ist, dass die 4 zu Zwecken einer besseren Erläuterung einen Piezonutzen 2 zeigt, bei dem ein und derselbe Masken körper 26 mit beiden geschilderten Strukturierungsformen ausgestattet ist.
Ein eine breite Piezoplatte 37 zerteilender Schnitt wird zweckmäßigerweise mit einer Wafersäge ausgeführt. Da ein einziger, durchgehender Schnitt genügt, werden die sich ergebenden Schnittränder der Piezoplatten 37 kaum mechanisch beeinträchtigt.
Zum Abschluss folgt noch das Herausschneiden der Trennschlitze 4 zwischen den zum jeweils gleichen Piezobiegewandler 1 gehörenden Lamellenabschnitten 3. Die hierfür relevanten dritten Schnittlinien sind in 4 strichpunktiert bei 43 angedeutet. Man erkennt, dass diese dritten Schnittlinien 43 stets entlang eines im Folgenden als zweiter Materialsteg bezeichneten Materialsteges 35b des Maskenkörpers 26 verlaufen, der sich zwischen zwei benachbarten Piezoplatten 36, 37 in Längsrichtung der Lamellenabschnitte 3 erstreckt. Der Schnitt wird ausgehend von der Vorderkante des Piezobiegewandlers 1 bis in den Übergangsbereich zu dem Kontaktierungsabschnitt 5 geführt. Hierbei ist nun von Vorteil, dass unabhängig davon, ob die Piezoplatten die einfache oder die doppelte Breite eines Piezoelementes 12 aufweisen, die Schnitte zum Einbringen der Trennschlitze 4 in keinem Fall durch Piezomaterial hindurchgeführt werden müssen. Die ersten Aufnahme- und Positio nierdurchbrechungen 28 sind wie oben geschildert so angeordnet und verteilt, dass jedenfalls in den Bereichen der späteren Trennschlitze 4 ein zweiter Materialsteg 35b des Maskenkörpers 26 verbleibt, der zwei erste Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen 28 voneinander trennt und folglich die Piezoplatten 36, 37 sich nicht in den Bereich des gewünschten Trennschlitzes 4 hinein erstrecken.
Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die Trennschlitze 4 mit einer einfachen Säge eingeschnitten werden können, wobei man auf ein Sägeblatt zurückgreifen kann, dessen Breite exakt derjenigen der gewünschten Schlitzbreite entspricht. Diese Breite wählt man zweckmäßigerweise so, dass sie etwas geringer ist wie der Abstand zwischen im Bereich der dritten Schnittlinie 43 nebeneinanderliegenden Piezoplatten 36, 37, so dass das Schneidwerkzeug das Piezomaterial definitiv nicht erreicht. Es kann insbesondere ein schmaler Materialstreifen des Maskenkörpers 26 längs jedem der einander zugewandten Längsränder der Piezoelemente 12 des Piezobiegewandlers 1 stehen bleiben.
Wenn die Vereinzelungsschnitte 42 durch erste Materialstege 35a hindurchgeführt werden, wählt man zweckmäßigerweise auch hier eine Schnittbreite, die geringer ist als der Abstand der benachbarten Piezoplatten 36, 37, damit das Piezomaterial nicht in Mitleidenschaft gezogen wird.
Mit dem geschilderten Verfahren lässt sich sehr einfach auch die passive Verlängerung der Lamellenabschnitte 3 realisieren. Man hat lediglich den den vorderen Endbereichen der Piezoplatten 36, 37 zugeordneten Besäumungsschnitt mit einem Abstand „a” vor den stirnseitigen Abschlusskanten der Piezoplatten 36, 37 zu setzen, der der gewünschten Länge der Verlängerungselemente 22 entspricht. Die Verlängerungselemente 22 werden dann unmittelbar von den vor den Piezoplatten 36, 37 stehen gebliebenen Materialabschnitten des Maskenkörpers 26 gebildet. Ein separates Aufsetzen einzelner Verlängerungselemente erübrigt sich.
Um eine möglichst glatte Oberfläche zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn die Dicke des Maskenkörpers 26 zumindest im Wesentlichen derjenigen der Piezoplatten 36, 37 entspricht. Es ergibt sich dann insbesondere auch ein absatzloser Übergang zwischen den Piezoelementen 12 und den Verlängerungselementen 22.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Piezobiegewandlern, die jeweils einen zur elektrischen Kontaktierung dienenden endseitigen Kontaktierungsabschnitt (5) und mehrere unter Parallelausrichtung und durch einen Trennschlitz (4) zueinander beabstandet von dem Kontaktierungsabschnitt (5) wegragende Lamellenabschnitte (3) aufweisen, wobei der Kontaktierungsabschnitt (5) und die Lamellenabschnitte (3) eine gemeinsame Trägerstruktur (6) enthalten, die zumindest einseitig im Bereich jedes Lamellenabschnittes (3) mit einem streifenförmigen Piezoelement (12) belegt ist, wobei die Piezobiegewandler (1) aus einem plattenförmigen Piezonutzen (2) zugeschnitten und bei diesem Zuschneiden auch die Trennschlitze (4) eingeschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Piezonutzens (2) auf eine Tragplatte (25), die nach dem Zuschneiden die Trägerstrukturen (6) der einzelnen Piezobiegewandler (1) bildet, wenigstens einseitig ein plattenförmiger Maskenkörper (26) aufgebracht wird, der eine Mehrzahl von in den Bereichen der zu erzeugenden Lamellenabschnitte (3) angeordneten ersten Aufnahme- und Positionierdurchbre chungen (28) aufweist, in die anschließend Piezoplatten (36, 37) eingelegt werden, die nach dem Zuschneiden des Piezonutzens (2) die Piezoelemente (12) bilden, worauf eine somit erhaltene Baugruppe zu einem zusammenhängenden Verbundkörper laminiert wird, wobei die ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) so ausgebildet und platziert sind, dass sich in den Bereichen der späteren Trennschlitze (4) jeweils ein zwischen zwei ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) liegender Materialsteg (35, 35b) des Maskenkörpers (26) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maskenkörper (26) verwendet wird, der derart mit ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) versehen ist, dass jedem zu erzeugenden Lamellenabschnitt (3) eine erste eigene Aufnahme- und Positionierdurchbrechung (28) zugeordnet ist, wobei die in eine solche erste Aufnahme- und Positionierdurchbrechung (28) eingelegte Piezoplatte (36) nach dem darauf folgenden Zuschneiden des Piezonutzens (2) genau ein Piezoelement (12) bildet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Piezoplatten (36) bereits vorkonfektionierte Piezoelemente (12) in die ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maskenkörper (26) verwendet wird, dessen erste Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) zumindest teilweise so angeordnet sind, dass sie sich gleichzeitig über jeweils solche zwei nebeneinanderliegenden Bereiche der Tragplatte (25) hinweg erstrecken, die nach dem Zuschneiden des Piezonutzens (2) zu Lamellenabschnitten (3) unterschiedlicher Piezobiegewandler (1) gehören, wobei die in eine solche erste Aufnahme- und Positionierdurchbrechung (28) eingelegte Piezoplatte (37) beim Zuschneiden des Piezonutzens (2) in zwei unterschiedlichen Piezobiegewandlern (1) angehörende Piezoelemente (12) zerteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maskenkörper (26) verwendet wird, der in den Bereichen der späteren Kontaktierungsabschnitte (5) über zur Aufnahme und Positionierung von Kontaktierungsplättchen (16) dienende zweite Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (29) verfügt, in die vor dem Laminieren des Verbundkörpers zur elektrischen Kontaktierung der Piezobiegewandler (1) dienende Kontaktierungsplättchen (16) eingelegt werden, die durch das Laminieren zu Bestandteilen des Verbundkörpers werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Maskenkörper (26) so ausgebildet wird, dass die zweiten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (29) durch Materialstege (35) von den die Piezoplatten (36, 37) aufnehmenden ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) abgetrennt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28, 29) mit einem Umriss versehen werden, der genau dem Umriss des jeweils aufzunehmenden Bauteils (36, 37, 16) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man den Piezonutzen (2) derart zuschneidet, dass die Lamellenabschnitte (3) einen sich auf der dem Kontaktierungsabschnitt (5) entgegengesetzten Seite axial an die Piezoelemente (12) anschließenden Endabschnitt aufweisen, in dem auf der Trägerstruktur (6) ein als piezoelektrisch inaktives Verlängerungselement (22) fungierender Abschnitt des Maskenkörpers (26) sitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man für den Maskenkörper (26) und die Piezoplatten (36, 37) die gleiche Materialdicke wählt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den Maskenkörper (26) ein Kunststoffmaterial verwendet wird, insbesondere ein glasfaserverstärktes Kunststoffmaterial.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28, 29) in den Maskenkörper (26) eingebracht werden, bevor der Maskenkörper (26) und die Trägerplatte (25) aufeinandergelegt werden, wobei die Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen insbesondere durch Stanzen oder durch Laserschneiden eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragplatte (25) vor dem Laminiervorgang auf beiden Seiten in bezüglich ihrer Plattenebene spiegelsymmetrischer Weise mit je einem Maskenkörper (26) sowie zugehörigen Piezoplatten (36, 37) und gegebenenfalls Kontaktierungsplättchen (16) belegt wird, um einen Piezonutzen (2) zu erhalten, aus dem Piezobiegewandler (1) zuschneidbar sind, deren Lamellenabschnitte (3) jeweils beidseitig über ein Piezoelement (12) verfügen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragplatte (25) mehrschichtig aufgebaut wird, insbesondere umfassend eine aus glasfaserverstärk tem Kunststoffmaterial bestehende mittlere Trägerschicht (7a) und mindestens eine nach Herstellung des Verbundkörpers zwischen dieser mittleren Trägerschicht (7a) und einem Maskenkörper (26) liegende äußere Trägerschicht (8a) aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die in die ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) eingelegten Piezoplatten (36, 37) jeweils einen Piezomaterialkörper enthalten, der einseitig oder beidseitig mit einer insbesondere durch Sputtern aufgebrachten Elektrodenschicht (13) beschichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuschneiden der Piezobiegewandler durch Besäumen des Außenumrisses des Piezonutzens (2), durch dem Vereinzeln der Piezobiegewandler (1) dienendes Durchtrennen des Piezonutzens (2) zwischen den die einzelnen Piezobiegewandler (1) definierenden Bereichen, und durch Einschneiden der Trennschlitze (3) erfolgt.
Piezonutzen in Form eines laminierten Verbundkörpers, zur Herstellung von Piezobiegewandlern (1), die jeweils einen zur elektrischen Kontaktierung dienenden endseitigen Kontaktierungsabschnitt (5) und mehrere unter Parallelausrichtung und durch einen Trennschlitz (4) zueinander beabstandet von dem Kontaktierungsabschnitt (5) wegragende Lamellenabschnitte (3) aufweisen, wobei der Kontaktierungsabschnitt (5) und die Lamellenabschnitte (3) eine gemeinsame Trägerstruktur (6) enthalten, die zumindest einseitig im Bereich jedes Lamellenabschnittes (3) mit einem streifenförmigen Piezoelement (12) belegt ist, wobei aus dem Piezonutzen (2) mehrere Piezobiegewandler zugeschnitten werden können und der Piezonutzen (2) eine nach dem Zuschneiden die Trägerstrukturen der einzelnen Piezobiegewandler (1) bildende Tragplatte (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragplatte (25) wenigstens einseitig von einem plattenförmigen Maskenkörper (26) belegt ist, der eine Mehrzahl von in den Bereichen der zu erzeugenden Lamellenabschnitte (3) angeordneten ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) aufweist, in die Piezoplatten (36, 37) eingelegt sind, die nach dem Zuschneiden des Piezonutzens (2) die Piezoelemente (12) bilden, wobei die ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) so ausgebildet und platziert sind, dass sich in den Bereichen der zu erzeugenden Trennschlitze (3) jeweils ein zwischen zwei ersten Aufnahme- und Positionierdurchbrechungen (28) liegender Materialsteg (35, 35b) des Maskenkörpers (26) erstreckt und wobei die Tragplatte (25), der Maskenkörper (26) und die Piezoplatten (36, 37) in einem laminierten Verbundkörper vereinigt sind.