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Title:
PIEZOACTUATOR AND A METHOD FOR PRODUCING SUCH A PIEZOACTUATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/069047
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a piezoactuator (1) comprising an actuator body (2) with a plurality of piezo elements and to a method for producing same. The aim of the invention is to prevent a tensile stress onto the actuator body (2) in the direction of the longitudinal extension (3) of the actuator body, said stress being harmful during operation. This is achieved in that the actuator body (2) is loaded with a prestress (F) by a permanently acting, elastically prestressed tensioning means (4). For this purpose, the tightening means (4) is attached to the actuator body as a winding in a plurality of turns around opposite surfaces (5) parallel to the longitudinal extension (3) of the actuator body (2) under a tensile stress. The individual turns of the tensioning means (4), said turns adjoining one another directly without any distance between them, form a flat winding parallel to the actuator body (3) surface (5) to be wound such that a uniform introduction of force is achieved while at the same time requiring very little space.

Inventors:
WALLASCHEK JOERG (DE)
MOJRZISCH SEBASTIAN (DE)
BREMER JAN (DE)
Application Number:
PCT/DE2011/075280
Publication Date:
May 31, 2012
Filing Date:
November 21, 2011
Export Citation:
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Assignee:
UNIV HANNOVER (DE)
WALLASCHEK JOERG (DE)
MOJRZISCH SEBASTIAN (DE)
BREMER JAN (DE)
International Classes:
H01L41/053
Foreign References:
US6172445B12001-01-09
US3281726A1966-10-25
US20040140737A12004-07-22
US6274967B12001-08-14
DE19650900A11998-06-10
DE102005028970A12006-12-28
DE19928185A12001-01-04
DE19653555A11998-06-25
DE10139871A12003-02-27
DE10026635A12002-01-03
DE19930585A12000-02-10
DE3805121A11989-08-31
DE102004005943B42009-09-10
DE102006032995A12008-01-31
Attorney, Agent or Firm:
SCHEFFLER, Jörg et al. (DE)
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Claims:
PATE N TAN S P RÜ C H E

1. Piezoaktor (1 , 14) mit einem Aktorkörper (2) mit einer Mehrzahl von Piezoelementen, wobei der Aktorkörper (2) durch ein Spannmittel mit einer Vorspannung (F) belastet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel ein elastisches und/oder flexibles Zugmittel (4) hat, welches in einer Mehrzahl von Windungen um den Aktorkörper (2) als vorgespannte Wicklung an diesem angebracht ist.

2. Piezoaktor (1 , 14) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (4) an gegenüberliegenden Flächen (5), insbesondere parallel zur Längserstreckung (3) des Aktorkörpers (2) angebracht ist.

3. Piezoaktor (1 ) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (4) bezogen auf die zu bewickelnden Flächen (5) des Aktorkörpers (2) in mehreren Windungen in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander ausgeführt ist.

4. Piezoaktor (14) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (4) bezogen auf die zu bewickelnden Flächen (5) des Aktorkörpers (2) in Windungen in mehreren übereinanderliegenden Ebenen ausgeführt ist.

5. Piezoaktor (1 , 14) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (4) als ein Draht, ein Seil, ein Band, eine Kette und/oder eine Schnur ausgeführt ist.

6. Piezoaktor (1 , 14) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (4) eine runde, insbesondere kreisförmige, oder eine mehreckige Querschnittsform aufweist.

7. Piezoaktor (1 , 14) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (4) als einen wesentlichen Werkstoffanteil eine Kunststofffaser enthält.

8. Piezoaktor (1 , 14) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (4) aus einer Formgedächtnislegierung besteht.

9. Piezoaktor (1 , 14) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1 , 14) mehrere, an gegenüberliegenden Flächen (5) des Aktorkörpers (2) anliegende Formkörper (6) zur Aufnahme der Wicklungen hat.

10. Piezoaktor (1 , 14) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (6) zumindest ein Fixierelement für die Endbereiche des Zugmittels (4) aufweist.

1 1 . Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors (1 , 14) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Aktorkörper (2) mittels eines Spannmittels mit einer Vorspannung (F) belastet wird, die einer unerwünschten Zugkraft durch die Vorspannung (F) entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannmittel eine Mehrzahl von Windungen eines flexiblen Zugmittels (4) als elastisch vorgespannte Wicklung an dem Aktorkörper (2) angebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zugmittel (4) aus einer Formgedächtnislegierung verwendet wird .

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bewickeln des Aktorkörpers (2) eine Spannung in das Zugmittel (4) eingebracht wird, indem das Zugmittel (4) entgegen einer Bremskraft (FB) auf den Aktorkörper (2) gewickelt wird.

1 4. Verfahren nach den Ansprüchen 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (2) in einer Halterung einer Wickelvorrichtung um eine Achse quer zu seiner Längserstreckung (3) rotationsbeweglich angetrieben wird.

1 5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 1 4, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst zwei Formkörper (6) in einem vorbestimmten Abstand voneinander in einer Aufnahme vorübergehend fixiert werden, anschließen mit einer Vielzahl von Windungen eine Wicklung auf den Formkörpern (6) aufgebracht werden und schließlich der Abstand entge- gen der elastischen Rückstellkraft der Wicklung vergrößert und der Aktorkörper (2) zwischen den Formkörpern (6) eingesetzt wird.

Description:
Piezoaktor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Piezoaktors

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einem Aktorkörper mit einer Mehrzahl von Piezo- elementen, wobei der Aktorkörper durch ein Spannmittel mit einer Vorspannung belastet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Piezoaktors.

Ein solcher, auch als piezoelektrischer Aktor bezeichneter Piezoaktor ist üblicherweise aus mehreren , zu einem stapeiförmigen Aktorkörper angeordneten Piezoelementen aufgebaut. Jedes Piezoelement besteht aus einer Piezokeramikschicht, die beiderseits mit einer metall ischen Elektrode versehen ist. Wird an diese Elektroden eine elektrische Spannung angelegt, reagiert die Piezokeramikschicht mit einer Gitterverzerrung. Als Folge davon expandiert und kontrahiert das Piezoelement un d damit der Aktorkörper in eine Richtung, die durch die Anordnung der Piezokeramikschicht und der Elektroden eines Piezoelements bestimmt ist. Entsprechend einem Ausmaß der Expansion und Kontraktion kommt es zu einer nutzbaren Änderung einer Ausdehnung eines stapeiförm igen Aktorkörpers.

Beim Anlegen einer S pannung geeigneter Polarität an eine piezoke ramische Scheibe nimmt ihre Schichtdicke geringfügig zu. Um praktisch nutzbare Stellwege zu erzielen, werden solche Scheiben geschichtet und damit mechanisch in Serie betrieben. Der maximale Verstellweg ist proportional zur Baulänge des den Aktorkörper bildenden Stapels, die Belastbarkeit ungefähr proportional zu seinem Querschnitt.

Der Aktorkörper wird oft in einem Gehäuse aus Stahl angeordnet, um so eine mechanische Vorspannung zur Erzielung höherer Zugkräfte zu erreichen . Prinzipiell sollten keramische Aktorkörper keinen oder nur geringen Zugkräften ausgesetzt werden, und zwar maximal 5 % der Druckbelastbarkeit. Die dabei gängigste Maßnahme zur Erhöhung der Zugbelastbarkeit des Systems ist daher die Ausstattung eines Piezoaktors mit einer mechanischen Vorspannung. Beim Einsatz von Piezoaktoren als Krafterzeuger hängt die nutzbare Kraft, wie bei anderen Aktoren auch, von der Steifigkeit der Einspannung ab. Die maximal erzeugbare Kraft ergibt sich für die maximale Ansteuerspannung und eine unendlich steife Klemmung bzw. Einspannung des Piezoaktors als sogenannte Blockierkraft. Sie ist die Kraft, die nötig ist, um einen vollständig ausgedehnten Piezoaktor wieder in seine Ausgangslage zurückzudrücken.

Außerdem sind auch bereits Anwendungen für einen Piezoaktor als Piezoinjektor bekannt. Der Piezoaktor ist bei einem Piezoinjektor mit einer Düsennadel verbunden, sodass durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben wird. Die US 6,274,967 B1 offenbart einen Piezoaktor in Vielschichtbauweise, der mit einer Vorspannvorrichtung zur Kraftein leitung in die piezoelektrischen Schichten ausgestattet ist. Mit Hilfe der Vorspannvorrichtung werden die piezoelektrischen Schichten mit einer einac hsigen Druckspannung entlang der Stapelrichtung des Piezoaktors beaufschlagt. Die DE 196 50 900 A1 bezieht sich auf einen beispielsweise zur Betätigung von Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen vorgesehenen Piezoaktor, der dadurch gegen Zugspannungen geschützt wird, dass für den piezoelektrischen Körper des Piezoaktors federnde Vorspannelemente vorgesehen sind, die den piezoelektrischen Kö rper unter Druckvorspannung setzen. Hierzu weist der piezoelektrische Körper eine die Stirnflächen unter Druckvorspannung gegeneinander verspannende elastische Umspannung auf, indem beispielsweise Koppelelemente bzw. Stirnplatten miteinander durch federnd ausgebildete Spannbänder aus Rund- oder Flachmaterial oder über einen rohrartigen, nach Art einer Zugfeder ausgebildeten Balg verbunden sind. Beispielsweise dient hierzu eine Federhü lse mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form und einem unteren balgartig gewellten Bereich, wobei die Wellen unter einer großen Zugspannung stehen , sodass der piezoelektrische Körper einer entsprechenden Druckvorspa nnung ausgesetzt wird.

Die DE 10 2005 028 970 A1 betrifft einen Piezoaktor, der bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein bestimmtes Dehnungsverhalten in Abhängigkeit von dieser elektrischen Spannung zeigt. Um ein gesteigertes Hubverhalten zu erreichen, hat der Piezoaktor mindestens eine piezoelektrische Schicht mit mindestens einer Aufwölbung, die zwischen zwei gegenüberliegenden Elektrodenschichten zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der pie- zoelektrischen Schicht angeordnet ist, und eine Vorspannvorrichtung, mittels derer über die mindestens eine Aufwölbung eine mechanische Verspannung in der piezoelektrischen Schicht einstellbar ist, sodass bei Erzeugen eines elektrischen Feldes in der vorgespannten piezoelektrischen Schicht die mechanische Verspannung ein Dehnungsverhalten des Piezo- aktors unterstützt.

Der in der DE 199 28 185 A1 beschriebene Piezoaktor weist in vorteilhafter Weise mindestens ein Piezoelement auf, das zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft geeignet ist. Das Piezoelement ist dabei zwischen einer Grundplatte und einem Federteller gehalten, der über eine Vorspannfeder ebenfalls an einem Gehäuse anliegt und das Betätigungselement führt. Bei einer anderen Ausführungsform sind zwei Pie- zoelemente symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstellenden Zu gstab und von einer Zwischenschicht umgeben im Gehäuse des Piezoaktors angeordnet. Die Piezoelemen- te sind hier zwischen einer mit dem Zugstab verbundenen Stützplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten. D ie Stützplatte liegt über eine Feder zur Vorspannung an dem Gehäuse an.

Aus der DE 196 53 555 A1 ist ein Piezoinjektor bekannt, bei dem die Piezoelemente mittels eines Faltenbalgs gegen das Fußteil des Piezoaktors vorgespannt und seitlich geführt wer- den, um eine kompakte und kurze Bauform zu erreichen. Durch den Faltenbalg wird eine seitlich gefederte, besonders reibungsarme Lagerung der Piezoelemente erreicht. Der Faltenbalg besteht aus Stahl oder Kunststoff mit einer entsprechenden Federkraft und Dichtigkeit. Die DE 101 39 871 A1 offenbart einen Piezoinjektor mit einem über einen hydraulischen Druckübersetzer auf ein Ventilglied einwirkenden Piezoaktor, bei dem die Piezoelemente des Piezoaktors in einer mit einem Wellbalg versehenen Hülse angeordnet sind. Die Piezoelemente sind mittels einer Tellerfeder, die am Kopfteil des Piezoaktors anliegt und sich an einem Führungskörper abstützt, in Richtung des Fußteils des Piezoaktors vorgespannt.

Einen piezoelektrischer Aktor zeigt auch die DE 100 26 635 A1 . Bei dem piezoelektrischen Aktor sind die Piezoelemente in einer Stapelrichtung übereinander zu einem mon olithischen Aktorkörper angeordnet. Dabei sind eine Vielzahl von Elektrodenschichten, die als Innenelektroden bezeichnet werden, und eine Vielzahl von piezoelektrischen Schic hten aus einer Piezokeramik (Piezokeramikschichten) abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam zu dem monolithischen Aktorkörper gesintert. Durch die DE 199 30 585 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, der zur elektrischen Kontaktierung einer Elektrode eines Aktorkörpers eine Kontaktfahne aufweist. Durch eine Expansion und Kontraktion des Aktorkörpers tritt in der Kontaktfahne eine mechanische Spannung auf, die dadurch minimiert wird, dass die Kontaktaufnahme ein Verformungsmaterial in Form eines Drahtgeflechts zum Anpassen der Ausdehnung an ein Ausmaß der Expansion und Kontraktion aufweist. Die grundlegende Idee ist es, diese mechanische Spannung in der Kontaktfahne zu verringern.

Der DE 38 05 121 A1 ist ein elektrisches Bauteil mit einer zug- und druckentlasteten Lötver- bindung entnehmbar.

Die DE 10 2004 005 943 B4 betrifft einen Piezoaktor, der mindestens zwei übereinander angeordnete Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht sowie mindestens einen elektrisch leitfähigen Draht aufweist. Der Draht ist so ausgelegt, dass es aufgrund der mechanischen Belastung nicht zu Spannungsspitzen im Draht kommt, die zu einem Bruch des Drahts führen können, indem die im Draht über die Länge des Drahts auftretenden Spannungen einander angegl ichen werden. Durch die Form des Drahts kann beispielsweise eine Zugspannung in eine Scherspannung überführt werden. Im Ergebnis tritt eine homogenere, annähernd gleiche Zug- Spannung entlang des Drahts auf. In einer Ausgestaltung weist der Draht eine mechanische Vorspannung , beispielsweise eine Zugspannung, auf, die der im Betrieb des elektrischen Bauteils auftretenden mechanischen Spannung entgegenwirkt.

Die DE 10 2006 032 995 A1 betrifft einen elektromechanischen Motor, insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor, bei dem anstelle der üblicherweise bei solchen Ringmotoren eingesetzten Hohlfedern Vorspannelemente mit gesteigerter Tragkraft eingesetzt werden. Die Vorspannelemente erstrecken sich parallel zur Wirkrichtung eines jeweiligen piezoelektrischen Vielschichtaktors. Beispielsweise wird das Vorspannelement durch ein Federband oder einen Federdraht realisiert.

Als nachteilig erweist sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Piezoaktoren der mit dem Spannmittel, insbesondere mit der hierzu erforderlichen Stützrahmenkonstruktion als Widerlager für das Spannelement, verbundene zusätzliche Platzbedarf. Weiterhin entsteht durch das Spannmittel und den Stützrahmen ein zusätzlicher Herstellungsaufwand, der zu insgesamt erhöhten Herstellungskosten führt. Außerdem führt eine hohe Steifigkeit des Spannelements zu einem unerwünschten Hubverlust. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, zugleich den Platzbedarf sowie auch die Herstellungskosten für einen Piezoaktor der eingangs genannten Art wesentlich zu reduzieren. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zur Herstellung eines solchen Piezoaktors geeignetes Verfahren zu schaffen.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Piezoaktor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen. Erfindungsgemäß i st also ein Piezoaktor vorgesehen, bei dem das Spannmittel ein elastisches und/oder flexibles Zugmittel hat, welches mit einer Vorspannung in einer Mehrzahl von Windungen um den Aktorkörper gewickelt ist. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise die gewünschte Vorspannung des Aktorkörpers zur Vermeidung von auf den Aktorkörper wirkenden Zugkräften ohne einen zusätzlichen Hilfsrahmen allein durch das Bewickeln des Aktorkörpers mit einer Vielzahl von Windungen erreicht, indem beim Wickel prozess eine gewünschte Vorspannung des Zugmittels erzeugt und auf den Aktorkörper übertragen wird. Erfindungsgemäß wird so eine äußerst kompakte Bauform des Piezoaktors erreicht, weil das Zugmittel eine geringe Querschnittsfläche aufweist und unmittelbar an dem Aktorkörper entlanggeführt werden kann. Dabei führt die starke Dehnung des Zugmittels zu einer geringen Steifigkeit und somit zu einem geringen Hubverlust.

Der Aktorkörper könnte eine Durchbrechung aufweisen bzw. als ein Hohlkörper, beispielsweise als ein Hohlzylinder, ausgeführt sein, sodass das Zugmittel bei jeder Windung sowohl durch den Innenraum als auch außenseitig entlang der Außenfläche geführt werden kann, um so ein Abrutschen oder Abgleiten zuverlässig ausschließen zu können. Selbstverständlich können beispielsweise auch nach innen weisende Vorsprünge in dem Hohlraum vorgesehen sein, um das Zugmittel ausschließlich innerhalb des Hohlraums durch Bewickeln der Vorsprünge führen zu können. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Ausgestaltung der Erfindung , bei welcher das Zugmittel an gegenüberliegenden Flächen, insbesondere Längs- seiten des Aktorkörpers, angebracht ist. Hierdurch wird das Herstellen der Wicklung wesentlich vereinfacht, indem der Aktorkörper um seine Querachse rotiert und dabei das vorgespannte Zugmittel über die Schmalseiten des Aktorkörpers parallel zu seiner Längsachse aufgebracht werden kann. Selbstverständlich ist die Wicklung nicht auf zwei einander gegenüberliegende Flächen beschränkt. Vielmehr können separate Wicklungen auf mehrere, jeweils paarweise gegenüberliegende Flächen aufgebracht werden. Ebenso kann ein einziges Zugmittel zunächst auf ein erstes Paar gegenüberliegender Flächen und anschließend oder auch abwechselnd auf zumindest ein weiteres Paar gegenüberliegender Flächen gewickelt werden, sodass der Herstellungsaufwand weiter reduziert werden kann. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass das Zugmittel bezogen auf die zu bewickelnde Fläche des Piezoelements durch Windungen in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander und ohne Abstand aufgebracht ist, sodass wahlweise alle einer Fläche zugeordneten Windungen in derselben Ebene parallel zu dieser Fläche verlaufen. Es ist offensichtlich, dass hierdurch eine sehr kompakte Bauform realisiert wird. Zugleich verteilt sich die Vorspannkraft weitgehend gleichmäßig auf eine Vielzahl benachbarter Einzelwindungen, die entweder unmittel bar gegeneinander liegend oder auch zueinander beabstandet verlaufen.

Bei einer anderen, ebenfalls besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der vorliegenden Er- findung verläuft das Zugmittel bezogen auf die zu bewickelnde Fläche der Piezoelemente als Windungen in mehreren übereinanderliegenden Ebenen. Hierzu kann beispielsweise auch ein bandförmiges Zugmittel verwendet werden, dessen Breite im Wesentlichen der Breite der zu bewickelnden Fläche entsprechen kann, welches dann ähnlich einer Spiralfeder in einer Vielzahl zunehmend größerer Windungen in mehreren parallelen Ebenen zur Fläche ange- bracht wird, um so die gewünschte Zugkraft aufzubringen. Selbstverständlich sind auch Mischformen realisierbar, bei denen das Zugmittel sowohl nebeneinander als auch in mehreren Ebenen übereinanderliegend verläuft.

Das Zugmittel kann grundsätzlich eine beliebige Beschaffenheit mit geri nger oder auch ho- her Elastizität aufweisen und aus einem nahezu beliebigen Werkstoff hergestellt sein. Besonders sinnvoll ist dabei eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Zugmittel als ein Draht, beispielsweise aus Wolfram oder Stahl, als ein Seil, ein Band, eine Kette oder eine Schnur mit einem runden oder einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt ist, wobei für unterschiedliche Anwendungszwecke auch unterschiedliche Zugmittel ausgewählt werden kön- nen. Für die Zwecke der Erfindung eignet sich vielmehr grundsätzlich jedes flexible und somit wickelfähige Material, sodass auch Gewebe, Netze oder Folien als Zugmittel nicht ausgeschlossen sind.

Das Zugmittel könnte beispielsweise als ein mit einer Isolierung versehener Draht ausgeführt sein, sodass durch eine Leitfähigkeitsprüfung eine Beschädigung einer oder mehrerer Windungen in einfacher Weise, insbesondere automatisiert, erfasst werden kann. Ferner kann jeder an sich bekannte Metalldraht zum Einsatz kommen. Besonders einfach ist hingegen eine Abwandlung der Erfindung, bei welcher das Zugmittel aus einer Kunststofffaser, beispielsweise einer Aramidfaser oder einer hochfesten Polyethylenfaser, besteht, um so die Herstellungskosten zu reduzieren. Dabei kann die Auswahl der Kunststofffaser entsprechend der gewünschten Elastizität der mittels des Spannmittels erreichbaren Vorspannung erfol- gen.

Vorzugsweise besteht das Zugmittel aus einer Formgedächtnislegierung, welche die Elastizität konventioneller Metalle um ein Vielfaches übertrifft. Dadurch, dass das Material beim Entlasten durch seine innere Spannung wieder in seine Ursprungsform zurückkehrt, wobei die erzielbare Längenänderung solcher Formgedächtnislegierungen im Bereich bis 10 % bei verhältnismäßig kleinen Kräften liegt, wird eine Vergrößerung des Hubs des Piezoaktors um bis zu 20 % erreicht. Insbesondere wird so der maximal mögliche Hub zumindest annähernd erreicht. Im Gegensatz zu anderen Zugmitteln führen Formgedächtnislegierungen nicht zu einer spürbaren Reduzierung des Hubs, sodass eine Dehnung des Piezoaktors von 0,1 % bis 0,2 % erreicht werden kann. Als Werkstoff eignet sich beispielsweise Nickel-Titan , wobei auch Formgedächtnis-Polymere grundsätzlich einsetzbar sind.

Bei einer anderen, ebenfalls besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung , bei welcher der Piezoaktor mehrere, an gegenüberliegenden Flächen des Aktorkörpers anliegende Formkörper zur Aufnahme der Wicklungen hat, wird einerseits eine gleichmäßige Krafteinleitung der von den einzelnen Windungen des Zugmittels belasteten Formkörper auf die Fläche erreicht, wobei der Formkörper eine entsprechend der Umlenkung ausgeführte Formgebung, insbesondere konvexe Wölbung, aufweisen kann. Andererseits verhindert der Formkörper, beispielsweise durch entsprechende Vorsprünge, das seitliche Abgleiten des Zugmittels. Hierzu kann der Formkörper als eine auf die Stirnfläche des Aktorkörpers aufsteckbare Kappe ausgeführt sein.

Dabei ist es auch besonders sinnvoll, wenn der Formkörper zumindest ein Fixierelement für die Endbereiche des Zugmittels aufweist, um so durch eine einzige oder durch einige wenige Windungen die gegenüberliegenden Endbereiche des Zugmittels und so zugleich die Formkörper an dem Aktorkörper zu fixieren, sodass weitere Hilfsmittel zur Festlegung des Formkörpers an dem Aktorkörper entbehrlich sind und zugleich das Zugmittel festgelegt ist.

Die zweitgenannte Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors zu schaffen, bei dem der Aktorkörper mittels eines Spannmittels mit einer Vorspannung belastet wird, die seiner Dehnung im Betrieb entgegenwirkt, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Spannmittel eine Mehrzahl von Windungen eines flexiblen Zugmittels als eine elastisch vor- gespannte Wicklung an dem Aktorkörper angebracht wird. Hierdurch wird die Vorspannung in einfacher Weise und entsprechend dem vorgesehenen Einsatzzweck einstellbar beim Wickelvorgang in das Zugmittel eingebracht und so auf den Aktorkörper übertragen. Dabei erweist sich eine Ausgestaltung des Verfahrens als besonders Erfolg versprechend, bei der beim Bewickeln des Aktorkörpers eine Spannung in das Zugmittel eingebracht wird, indem das Zugmittel mit einer Vorspannkraft beaufschlagt und um den Aktorkörper gewickelt wird. Die hierzu erforderliche Vorspannkraft wird beispielsweise mittels eines als Drahtbremse wirkenden Elektromotors eingebracht, welcher mit einem abschnittsweise von dem Zug- mittel umschlungenen Rad verbunden ist und aufgrund eines Steuersignals eines die Zugmittelspannung erfassenden Sensors eine der Wickelrichtung des Drahts entgegenwirkende, regelbare Vorspannkraft auf das Zugmittel überträgt.

Selbstverständlich sind auch solche Bauformen denkbar, bei denen der Piezoaktor eine Wirkrichtung hat, die nicht parallel zu seiner Längserstreckung verläuft. In der Praxis ist es jedoch von Vorteil, wenn der Aktorkörper in einer Halterung einer Wickelvorrichtung um eine Achse quer zu seiner Haupterstreckung rotationsbeweglich angetrieben wird, um so die Flächen des Aktorkörpers zu bewickeln, die mit der Haupterstreckung korrespondieren. Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltung des Verfahrens werden zunächst zwei Formkörper in einem vorbestimmten Abstand voneinander in einer Aufnahme vorübergehend fixiert. Anschließend wird durch eine Vielzahl von Windungen eine Wicklung auf den Formkörpern erzeugt und schließlich der Abstand entgegen der elastischen Rückstellkraft der Wicklung vergrößert sowie der Aktorkörper zwischen den Formkörpern eingesetzt. Hierdurch wird also zunächst eine Wicklung ohne den Aktorkörper und somit in der Fertigung von diesem unabhängig ähnlich einer Luftspule erzeugt, sodass der Aktorkörper und die Wicklung zunächst unabhängige Bauelemente bilden. Die Verbi ndung dieser Elemente erfolgt durch eine elastische Dehnung der Wicklung, indem der Abstand der Formkörper, die selbstverständlich auch untereinander einteilig verbunden sein können, mittels einer geeigneten Spannvorrichtung vergrößert wird. In diesem Zustand wird der Aktorkörper mit seiner Stirnfläche zwischen den Formkörpern eingesetzt, sodass nach der Trennung von der Spannvorrichtung die ei ngebrachte Vorspannkraft auf den Aktorkörper wirkt. Auf diese Weise kann eine für den jeweiligen Anwendungszweck erforderliche Vorspannkraft in einfacher Weise durch die Auswahl aus verfüg baren Wicklungen vorgenom- men werden, um so einen modularen Aufbau zu realisieren. Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezoaktors;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Formkörpers zur Aufnahme der Wicklung des in der Figur 1 gezeigten Piezoaktors;

Fig. 3 eine Anordnung zur Herstellung einer Wicklung auf dem Piezoaktor;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Piezoaktors.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Piezoaktor 1 in einer perspektivischen Darstellung. Der Piezoaktor 1 hat einen Aktorkörper 2, welcher aus einer Vielzahl von Piezoelementen aufgebaut ist. Um einer im Betrieb schädigenden Zugspannung auf den Aktorkörper 2 in Richtung seiner Längserstreckung 3 vorzubeugen , ist der Aktorkörper 2 durch ein dauerhaft wirkendes, elastisch vorgespanntes Zugmittel 4 aus einer Polyaramidfaser mit einer Vorspannung F belastet. Hierzu ist das Spannmittel 4 in einer Vielzahl von Windungen um gegenüberliegende Flächen 5 parallel zur Längserstreckung 3 des Aktorkörpers 2 unter Zug- pannung als eine Wicklung an dem Aktorkörper 2 angebracht. Wie zu erkennen, bilden die einzelnen, ohne Abstand unmittelbar aneinandergrenzenden Windungen des Zugmittels 4 eine flächige Wicklung parallel zu der zu bewickelnden Fläche 5 des Aktorkörpers 2, sodass nicht nur eine gleichmäßige Krafteinleitung, sondern auch ein sehr geringer Platzbedarf erreicht wird. Dabei liegen die Windungen nicht direkt gegen eine Stirnfläche des Aktorkörpers 2 an.

Vielmehr trägt der Aktorkörper 2 zwei insbesondere in einer vergrößerten Darstellung in der Figur 2 erkennbare, an gegenüberliegenden Flächen des Aktorkörpers 2 anliegende Formkörper 6. Die Formkörper 6 dienen der Aufnahme der Wicklungen, deren Vorsprünge 7 ein seitliches Abgleiten des Zugmittels 4 verhindern. Jeder Formkörper 6 ist bereits mit zumindest einer Ausnehmung 8 zur Fixierung des Piezoaktors 1 in seiner späteren Arbeitsposition ausgestattet. Eine plane Formgebung der dem Aktorkörper 2 zugewandten Fläche erleichtert eine vorzugsweise formschlüssige Fixierung des Formkörpers 6 an der Stirnseite des Aktorkörpers 2. In Figur 3 ist ergänzend noch eine beispielhafte Anordnung zur Herstellung der in Figur 1 gezeigten Wicklung auf dem Aktorkörper 2 dargestellt. Um beim Bewickeln des Aktorkörpers 2 in Wickelrichtung 9 die erforderliche Spannung in das in Zuführrichtung 10 laufende Zugmittel einbringen zu können, wird das Zugmittel entgegen einer Bremskraft FB auf den Aktor- körper 2 gewickelt. Die Bremskraft F B wird mittels eines Elektromotors 1 1 eingebracht, welcher mit einem abschnittsweise von dem Zu gmittel umschlungenen Reibrad 12 verbunden ist und so aufgrund eines Steuersignals eines Sensors 13, mit dem die Spannung des Zugmittels kontinuierlich gemessen wird, ein der Wickelrichtung 9 des Aktorkörpers 2 entgegenwirkendes, regelbares Drehmoment auf das Zugmittel überträgt.

In Figur 4 ist noch ein weiterer erfindungsgemäßer Piezoaktor dargestellt, bei dem das Zugmittel 4 bezogen auf die zu bewickelnde Fläche der Piezoelemente als Windungen in mehreren übereinanderliegenden Ebenen an dem Aktorkörper 2 angeordnet ist. Indem das Zugmittel 4 als eine flächige Wicklung in einer Vielzahl zu der zu bewickelnden Fläche 5 des Akto r- körpers 2 parallelen Ebenen angeordnet wird, kann insbesondere auch ein bandförmiges Zugmittel 4 verwendet werden, dessen Breite im Wesentlichen der Breite der zu bewickelnden Fläche entspricht.