專利名稱：具有過渡區(qū)和安全層的單片壓電執(zhí)行器及該壓電執(zhí)行器的應(yīng)用的制作方法
具有過渡區(qū)和安全層的單片壓電執(zhí)行器 及該壓電執(zhí)行器的應(yīng)用
本發(fā)明涉及一種單片多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行器.
在將這種壓電執(zhí)行器初次電驅(qū)動(dòng)直至大信號(hào)范圍(多個(gè)kV/咖的 場強(qiáng))中時(shí)，壓電陶資材料被極化.在此造成不可逆的長度變化，即 所謂的剩余伸長.由于剩余伸長和由于在壓電執(zhí)行器工作時(shí)電驅(qū)動(dòng)電 極層時(shí)出現(xiàn)的附加伸長，在總疊層中形成拉應(yīng)力.這些拉應(yīng)力導(dǎo)致在 極化過程中或者在壓電執(zhí)行器工作時(shí)例如沿著壓電陶瓷層與電極層之 間的界面形成裂故(極化裂紋).這種裂紋尤其是在有源部分疊層與 終端區(qū)(Abschlussbereich)之間的過渡區(qū)中出現(xiàn).在此，特別有害 的是分岔的裂紋或者在總疊層的縱向上伸展的裂故.這種裂紋必然導(dǎo) 致壓電執(zhí)行器過早發(fā)生故陣.
本發(fā)明的任務(wù)是說明一種壓電執(zhí)行器，在該壓電執(zhí)行器中，構(gòu)成 上述裂紋及其生長的概率與背景技術(shù)相比被減小.
為了解決該任務(wù)，說明了一種具有總疊層的單片多層結(jié)構(gòu)形成的 壓電執(zhí)行器，所述壓電執(zhí)行器具有至少一個(gè)壓電有源部分疊層，其 中所述部分疊層具有相疊布置的壓電陶瓷層和布置在壓電陶瓷層之間 的電極層；至少一個(gè)布置于壓電有源部分疊層上方的壓電無源終端區(qū) 和至少一個(gè)布置在壓電有源部分疊層與終端區(qū)之間的過渡區(qū)，其中過 渡區(qū)具有相疊布置的過渡區(qū)壓電陶瓷層和布置在過渡區(qū)壓電陶瓷層之 間的過渡區(qū)電極層，并且過渡區(qū)壓電陶瓷層和過渡區(qū)電極層被構(gòu)造并 被相互布置來使得通過電驅(qū)動(dòng)過渡區(qū)電極層而可耦合輸入到過渡區(qū)壓 電陶瓷層中的電場在過渡區(qū)的從過渡區(qū)壓電陶瓷層到過渡區(qū)壓電陶瓷 層的疊層方向上相繼變化，并且壓電有源部分疊層朝向過渡區(qū)具有安 全層，在該安全層中，在機(jī)械過栽時(shí)優(yōu)選地構(gòu)成裂紋.
優(yōu)選地，過渡區(qū)的疊層方向從電有源的部分疊層朝終端區(qū)方向延 伸.在此，過渡區(qū)電極層的層厚度從過渡區(qū)電極層向過渡區(qū)電極層相 繼增加.
終端區(qū)可以是總疊層的頂部區(qū)或者底部區(qū)，終端區(qū)可包含一層或 者多層，在后者情況下稱為度蓋包(Deckpafcet)?？煽紤]陶瓷或金屬材料作為終端區(qū)的材料.
壓電陶瓷層的壓電陶瓷材料和過渡區(qū)壓電陶瓷層的壓電陶瓷材料 可以是相同的。但是也可以使用不同材料，
本發(fā)明的基本思想在于提供一種在壓電陶瓷的偏轉(zhuǎn)方面具有漸 變的過渡區(qū)。該漸變導(dǎo)致壓電陶瓷的偏轉(zhuǎn)在電驅(qū)動(dòng)過渡區(qū)電極層時(shí)從 過渡區(qū)壓電陶瓷層向過渡區(qū)壓電陶瓷層相繼變化.該偏轉(zhuǎn)從有源部分 疊層朝向無源終端區(qū)被減小.對(duì)所述偏轉(zhuǎn)進(jìn)行了匹配.由此，內(nèi)部機(jī) 械應(yīng)力由于不同的偏轉(zhuǎn)而被減小.同時(shí)在附近布置安全層.該安全層 用作類定斷裂處(Sollbruchstelle).該安全層構(gòu)成單片總疊層中的 最脆弱的環(huán)節(jié)，在(內(nèi)部或從外部引起的)機(jī)械過栽時(shí)，尤其在安全 層中或者在安全層上構(gòu)成裂故，已經(jīng)表明過渡區(qū)中的漸變與壓電有 源部分疊層中的安全層的組合明顯提高了壓電執(zhí)行器的可靠性.
層厚度的增加可任意選擇.有利地，從層厚度單位出發(fā)，過渡區(qū) 壓電陶瓷層的層厚度以如下因數(shù)增加1.2; 1.5; 2.0; 2.8; 3.8.可 替換的系列由如下因數(shù)來限定1.1; 1.3; 1.6; 2.0; 2.5; 3.1，例 如如下層厚度單位例如為80nm.
過渡區(qū)壓電陶資層在所有情況下可包含一層.這些過渡區(qū)壓電陶 瓷層為單層的。但是，如果過渡區(qū)壓電陶瓷層為多層的，則是有利的. 為此，過渡區(qū)壓電陶瓷層中的至少一個(gè)過渡區(qū)壓電陶瓷層具有多個(gè)相 疊布置的單獨(dú)壓電陶瓷層.該多層過渡區(qū)壓電陶瓷層在制造時(shí)由多個(gè) 壓電陶瓷的未燒結(jié)膜來構(gòu)造.
過渡區(qū)電極層的層厚度單位尤其是對(duì)應(yīng)于壓電有源部分疊層的壓 電陶瓷層的層厚度.這例如意味著與壓電有源部分疊層直接鄰接的 過渡區(qū)壓電陶瓷層具有該壓電有源部分疊層的相鄰壓電陶瓷層的層厚 度.
已被強(qiáng)調(diào)為特別有利的是安排在壓電有源部分疊層的安全層與 過渡區(qū)的安全層之間布置最多IO個(gè)壓電陶瓷層并且尤其是最多5個(gè)壓 電陶瓷層.安排的是安全層被布置在過渡區(qū)附近.
安全層可由有源部分疊層的壓電陶瓷層構(gòu)成.安全層尤其是由壓
電有源部分疊層的電極層之一和/或由壓電有源部分疊層的電極層之 一與相鄰壓電陶瓷層之間的界面構(gòu)成，
根據(jù)特別的擴(kuò)展方案，有源部分疊層和/或終端區(qū)具有從l咖至lOmiD且包含l咖和IO咖在內(nèi)的范閨中并且尤其是從3mm至5mm且包含 3咖和5咖在內(nèi)的范圍中選擇的部分疊層高度，例如，部分疊層高度為 2咖，已經(jīng)表明利用這些部分疊層高度很好地降低了峰值應(yīng)力，根據(jù) 特別的擴(kuò)展方案，過渡區(qū)部分疊層具有從0. 2mm至5. 0mm且包含0. 2mm 和5. Omm在內(nèi)的范圍中并且尤其是從0. 5mm至2. 0mm且包含0. 5咖和 2. O咖在內(nèi)的范圍中選擇的過渡疊層高度.利用所述部分疊層可達(dá)到非 常高的總疊層.在特別的擴(kuò)展方案中，總疊層具有從10mm至200mm且 包含10mm和200咖在內(nèi)的范閨中選擇的總疊層高度.更高的總疊層高
度同樣是可達(dá)到的.
用于減小在進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)時(shí)在總疊層中出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力的其它措施 可附加地進(jìn)行.這些措施例如涉及將電無源的電極層集成到終端區(qū)中。 所述電無源電極層在極化期間和在壓電執(zhí)行器工作期間不被電驅(qū)動(dòng).
該新的可靠的壓電執(zhí)行器優(yōu)選地被用于控制閥門，并且尤其是用 于控制內(nèi)燃機(jī)的噴油嘴.內(nèi)燃機(jī)例如為汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，
下面根據(jù)多個(gè)實(shí)施形式及所屬附圖
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明.所述附 困為示意性的并且不是比例正確的圖.
附圖從側(cè)面示出了單片多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行器.
壓電執(zhí)行器1是具有總疊層10的單片多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行 器.壓電執(zhí)行器1具有壓電有源部分疊層12，所述壓電有源部分疊層 12具有交替相疊布置的、以鋯鈦酸鉛(PZT)作為壓電陶瓷材料的壓電 陶瓷層和由銀鈀合金制成的電極層，
在壓電有源部分疊層12的上方布置了由陶瓷層制成的陶瓷褒蓋包 形式的壓電無源終端區(qū)15,
在壓電有源部分疊層11與覆蓋包15之間布置了過渡區(qū)疊層形式 的過渡區(qū)12.過渡區(qū)疊層12具有交替相疊布置的過渡區(qū)壓電陶瓷層和 過渡區(qū)電極層.過渡區(qū)壓電陶瓷層的壓電陶瓷材料和壓電有源部分疊 層的壓電陶瓷層的壓電陶瓷材料相同。在可替換的擴(kuò)展方案中，所述 壓電陶瓷材料不同.過渡區(qū)電極層的電極材料對(duì)應(yīng)于壓電有源部分疊 層的電極層的電極材料.可替換地使用不同電極材料.
壓電有源部分疊層、過渡區(qū)疊層和終端區(qū)共同構(gòu)成單片總疊層10. 在總疊層在有源部分疊層的區(qū)域中和在過渡區(qū)疊層的區(qū)域中的側(cè)面上 施加了未示出的、用于電接觸相應(yīng)電極層的外部金屬化.總疊層IO在疊層方向101上的總高度103為30mm.壓電有源部分 疊層12的部分疊層高度123為大約IO咖，過渡區(qū)疊層11的過渡區(qū)部 分疊層高度113為大約2mm.
在過渡區(qū)部分疊層之內(nèi)，在從有源部分疊層朝向終端區(qū)的疊層方 向上，過渡區(qū)壓電陶瓷層的層厚度增加.
附加地，在過渡區(qū)11附近的有源部分疊層12之內(nèi)布置了安全層 13.安全層13由電極層構(gòu)成.
通過不僅進(jìn)行所示布局或替換于所示布局而在總疊層的底部區(qū)中 設(shè)置具有所屬的過渡區(qū)的終端區(qū)16，得到其它實(shí)施例.
新的壓電執(zhí)行器l被用于控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴.
權(quán)利要求
1.一種具有總疊層的單片多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行器，該壓電執(zhí)行器具有-至少一個(gè)壓電有源部分疊層，其中所述部分疊層具有相疊布置的壓電陶瓷層和布置在壓電陶瓷層之間的電極層，-至少一個(gè)布置于壓電有源部分疊層上方的壓電無源終端區(qū)，和-至少一個(gè)布置在壓電有源部分疊層與終端區(qū)之間的過渡區(qū)，其中-過渡區(qū)具有相疊布置的過渡區(qū)壓電陶瓷層和布置在過渡區(qū)壓電陶瓷層之間的過渡區(qū)電極層，以及-過渡區(qū)壓電陶瓷層和過渡區(qū)電極層被構(gòu)造并被相互布置來使得通過電驅(qū)動(dòng)過渡區(qū)電極層而能被耦合輸入到過渡區(qū)壓電陶瓷層中的電場在過渡區(qū)的從過渡區(qū)壓電陶瓷層到過渡區(qū)壓電陶瓷層的疊層方向上相繼變化，并且-壓電有源部分疊層朝向過渡區(qū)具有安全層，其中在機(jī)械過載時(shí)優(yōu)選地構(gòu)成裂紋。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電執(zhí)行器，其中，過渡區(qū)的疊層方向從 電有源部分疊層朝終端區(qū)的方向延伸，并且過渡區(qū)電極層的層厚度從過渡區(qū)電極層向過渡區(qū)電極層相繼增加.
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電執(zhí)行器，其中，從層厚度單位出發(fā)， 過渡區(qū)壓電陶瓷層的層厚度以如下因數(shù)增加1.2; 1.5; 2.0; 2.8; 3.8.
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的壓電執(zhí)行器，其中，過渡區(qū)壓電 陶瓷層中的至少一個(gè)過渡區(qū)壓電陶瓷層具有多個(gè)相疊布置的單獨(dú)壓電 陶瓷層.
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的壓電執(zhí)行器，其中，過渡區(qū)電極層的層厚度單位對(duì)應(yīng)于壓電有源部分疊層的壓電陶瓷層的層厚度.
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的壓電執(zhí)行器，其中，在壓電有源 部分疊層的安全層與過渡區(qū)的安全層之間布置最多10個(gè)壓電陶資層， 并且尤其是布置最多5個(gè)壓電陶瓷層.
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的壓電執(zhí)行器，其中，安全層由 壓電有源部分疊層的電極層之一和/或由壓電有源部分疊層的電極層之一與該壓電有源部分疊層的相鄰壓電陶瓷層之間的界面構(gòu)成.
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的壓電執(zhí)行器，其中，壓電有源部 分疊層和/或終端區(qū)具有從lmm至10咖且包括lmm和10mm在內(nèi)的范閨中 并且尤其是從3mm至5mm且包括3mm和5mm在內(nèi)的范圍中選擇的部分疊層高度.
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的壓電執(zhí)行器，其中，過渡區(qū)具有 過渡區(qū)部分疊層，該過渡區(qū)部分疊層具有從O. 2mm至5. Onra且包括O. 2mm 和5. Omm在內(nèi)的范圍中并且尤其是從O. 5mm至2. O咖且包括O. Smm和 2. Omm在內(nèi)的范閨中選擇的過渡疊層高度.
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的壓電執(zhí)行器，其中，總疊層具有 從10nHD至200mm且包括10mm和200nim在內(nèi)的范圍中選擇的總疊層高度.
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的壓電執(zhí)行器在控制閥門并且尤 其是控制內(nèi)燃機(jī)的噴油嘴中的應(yīng)用.
全文摘要
為了解決任務(wù)，說明了一種具有總疊層(10)的單片多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行器(1)，所述壓電執(zhí)行器(1)具有至少一個(gè)壓電有源部分疊層(12)，其中所述部分疊層具有相疊布置的壓電陶瓷層和布置在壓電陶瓷層之間的電極層；至少一個(gè)布置于壓電有源部分疊層上方的壓電無源終端區(qū)(15)和至少一個(gè)布置在壓電有源部分疊層與終端區(qū)之間的過渡區(qū)(11)，其中過渡區(qū)具有相疊布置的過渡區(qū)壓電陶瓷層和布置在過渡區(qū)壓電陶瓷層之間的過渡區(qū)電極層，并且過渡區(qū)壓電陶瓷層和過渡區(qū)電極層被構(gòu)造并被相互布置來使得通過電驅(qū)動(dòng)過渡區(qū)電極層而可耦合輸入到過渡區(qū)壓電陶瓷層中的電場在過渡區(qū)的從過渡區(qū)壓電陶瓷層到過渡區(qū)壓電陶瓷層的疊層方向上相繼變化，并且壓電有源部分疊層朝向過渡區(qū)具有安全層(13)，在該安全層(13)中，在機(jī)械過載時(shí)優(yōu)選地構(gòu)成裂紋。該壓電執(zhí)行器被用于控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴。
文檔編號(hào)F02M51/06GK101578716SQ200780039463
公開日2009年11月11日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月23日
發(fā)明者C·舒, H·J·卡斯特爾, 坂元隆己, 稻垣正祥 申請人:西門子公司;京瓷株式會(huì)社