專利名稱：壓電執(zhí)行元件的制作方法
技術(shù)水平本發(fā)明涉及例如從DE 37 13 697 A1公知類型的一種壓電執(zhí)行元件。
如在圖3以略圖方式所示的那樣，壓電執(zhí)行元件通常由多個以堆垛方式彼此堆疊起來的由壓電材料制成的盤2、即所謂的壓電元件組成，在此，選定壓電盤的共同極化方向為堆垛方向。在該堆垛或者壓電堆(Piezostacks)的兩個側(cè)面分別安裝一個外電極3，4，這兩個外電極3，4可與一個控制電壓源11的接頭12a，12b電連接。在壓電盤2之間分別安置一個壓電執(zhí)行元件1的內(nèi)電極7，9。在此，內(nèi)電極7，9交替地分別僅與外電極3，4中的一個電接通，從而相鄰的、彼此堆疊配置的內(nèi)電極7和9分別與控制電壓源11的不同接頭12a，12b電連接。
在一個壓電執(zhí)行元件的這種配置中，每個壓電元件2都在兩個表盤面與一個電極7，9連接，這些電極7，9可通過外電極3，4而被一個電壓加載。在進行電壓加載時，以堆垛方式彼此堆疊起來的盤形的壓電元件2中的每一個都在形成于電極7，9之間的電場的方向伸長，該方向與壓電盤2的極化方向一致。通過大量的堆垛起來的壓電元件2，就可在一個相對小的控制壓力下得到總的結(jié)構(gòu)配置的一個相對大的行程。
上述的壓電執(zhí)行元件可以有很多應用，例如，用于操作一個內(nèi)燃機噴油閥的一個閥關(guān)閉體，操作液壓閥，驅(qū)動微型泵，操作繼電器，以及類似物。由現(xiàn)有技術(shù)，已公知各種不同的應用可能性。
例如，從EP 0 361 480 B1公知一個內(nèi)燃機的噴油嘴，其中，使閥針處于行程運動以打開和關(guān)閉噴油嘴。在此，這個行程運動的驅(qū)動元件是由一些堆疊起來的可由壓電激勵的并配置上平面電極的盤所組成。
由DE 35 33 085 A1公知其它的用于例如諸如直接噴射的柴油發(fā)動機之類的內(nèi)燃機燃料噴射系統(tǒng)的噴油閥，該噴油閥同樣具有一個壓電執(zhí)行機構(gòu)，以通過閥針的行程運動或移動來打開和關(guān)閉閥。這里，該壓電執(zhí)行機構(gòu)也是由一些盤形壓電元件組成，并且可通過一個可施加的電壓在一個短時間間隔內(nèi)在其軸向方向伸長或縮短。
此外，在DE 38 00 203 C2中公開了一個噴油閥，該噴油閥具有一個壓電陶瓷執(zhí)行機構(gòu)，該壓電陶瓷執(zhí)行機構(gòu)帶有彼此層疊的壓電陶瓷板和將電壓傳到每個壓電陶瓷板的電壓傳輸件。在這個噴射閥中所使用的壓電執(zhí)行元件的特別特征是，帶有相反極性的成對壓電陶瓷板的層疊，以便由此來增大壓電陶瓷閥的調(diào)節(jié)行程。
作為壓電執(zhí)行元件的進一步的應用可能性，由EP 0 477 400 A1公知一個壓電執(zhí)行元件的一個換向變壓器(Wegtransformator)的結(jié)構(gòu)配置，該結(jié)構(gòu)配置能增大壓電執(zhí)行元件的行程。
在上述的作為例子而引用的、公開了開頭所述類型壓電執(zhí)行元件應用可能性的文獻中，雖然沒有單個地描述所使用的壓電執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)和工作方式，但是它們基本上都對應于在上面借助于圖3所述的執(zhí)行元件。
在常見的壓電執(zhí)行元件中，由于堆垛配置的壓電元件2及內(nèi)電極7、9和兩個外電極3、4的連接，以壓電方式產(chǎn)生的伸長主要只在內(nèi)電極7和9彼此相對的中間區(qū)域發(fā)生。在內(nèi)電極7和9彼此不直接相對的邊緣區(qū)域13，形成一個具有改變的電場強度從而也具有拉應力的區(qū)域。由于這些拉應力，在這樣的執(zhí)行元件中經(jīng)常會形成開裂。在下面將借助于圖4A和圖4B對這種開裂的形成進一步加以討論。這里，圖4A示出在中性狀態(tài)即沒有加上控制電壓狀態(tài)下的執(zhí)行元件1，圖4B示出在運行狀態(tài)下即在帶有施加的控制電壓及由此而產(chǎn)生的壓電元件2伸長狀態(tài)下的執(zhí)行元件1。
圖4A和圖4B示出圖3中常見的壓電執(zhí)行元件的局部放大IV。在由壓電元件2組成的堆垛與內(nèi)電極7，9和外電極3，4之間的邊界區(qū)域中，可以區(qū)分出兩個區(qū)域13，14。在一個區(qū)域13中，內(nèi)電極7沒有貫穿直到外電極4而觸點接通，而通常對于壓電元件2所使用的陶瓷在該區(qū)域13中被深入燒結(jié)。在另一個區(qū)域14中，內(nèi)電極9貫穿直到外電極4而觸接通，但與另一個外電極3卻沒有接通。在第二區(qū)域14中即在壓電元件2和內(nèi)電極9之間的附著強度為在區(qū)域13中在壓電材料內(nèi)部的附著強度的1/3到1/5。如同在圖4B明顯可見的那樣，在加上一個控制電壓時，在執(zhí)行元件1的中部的伸長大于在靠近外電極的邊界區(qū)域的伸長。通過由此而產(chǎn)生的在執(zhí)行元件1的區(qū)域13，14中的大的拉應力，經(jīng)常在區(qū)域14中的內(nèi)電極9和壓電元件2之間的邊界上產(chǎn)生開裂15。在執(zhí)行元件1進一步運行時，這個開裂15會延伸到外電極4，由此內(nèi)電極9的接通至少部分地大大惡化甚至中斷，從而縮小了執(zhí)行元件1的總伸長。
本發(fā)明的優(yōu)點具有權(quán)利要求1特征的壓電執(zhí)行元件的優(yōu)點是，執(zhí)行元件具有兩個外電極組，每組又至少具有兩個外電極，通過這樣的結(jié)構(gòu)，就將發(fā)生內(nèi)電極到外電極的貫穿接通的區(qū)域分配到執(zhí)行元件的多個側(cè)面上，從而這些區(qū)域能夠在堆垛方向上彼此進一步間隔，同時在每個內(nèi)電極中能充分燒結(jié)3個邊緣區(qū)域。通過這些措施，可以減小在執(zhí)行元件中的拉應力，從而一般地減小形成開裂的傾向，并特別地在邊緣區(qū)域使該傾向明顯減小，本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，通過采用總計4個外電極可明顯改善執(zhí)行元件的熱量排出。
內(nèi)電極和不同的外電極之間的接通的周期性順序是特別有利的。這樣，貫穿接通區(qū)域被均勻地同時也以盡可能大的距離地分配到全部執(zhí)行元件上，由此，一旦形成開裂，彌補在外電極上開裂的可能性就明顯變得容易。根據(jù)本發(fā)明的一個進一步的構(gòu)造，為了一個這樣的開裂彌補而在外電極的外側(cè)面上安裝上波紋形電極，該波紋形電極的波長是兩個彼此相隨的內(nèi)電極間距的4倍。在通常的壓電執(zhí)行元件中，即便采用了波紋形電極，其波長也只是這里的一半，而且有波紋形電極與外電極發(fā)生平面焊接(flaechige Verloetung)的危險。
通過在從屬權(quán)利要求中所述的措施，可以對于在權(quán)利要求1中給出的壓電執(zhí)行元件進行有利的進一步構(gòu)造和改進。
附圖在附圖中以簡化的方式示出本發(fā)明的一個實施例，并在下面的說明中對其做深入的討論。附圖示出

圖1示出沿著圖2A中I-I線的一個壓電執(zhí)行元件實施例的剖視圖。
圖2A至圖2D圖1所示的壓電執(zhí)行元件在內(nèi)電極的不同平面上沿圖1中剖面II-I或平行于該剖面的剖視圖。
圖3根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個壓電執(zhí)行元件的剖視圖。
圖4A至圖4B圖3中壓電執(zhí)行元件的局部放大視圖，以便清楚示出在通常的壓電執(zhí)行元件中開裂的形成。
實施例的說明在圖1和圖2中舉例示出根據(jù)本發(fā)明壓電執(zhí)行元件的一個優(yōu)選實施例。其中，圖1示出沿著圖2A中I-I線的壓電執(zhí)行元件1的剖視圖，圖2A到圖2D示出內(nèi)極7，8，9和10的配置沿圖1中II-II剖面以及平行于圖1中II-II剖面的剖視圖。
與通常的壓電執(zhí)行元件一樣，壓電執(zhí)行元件1由多個由壓電材料制成的盤2組成，這些盤的極化方向基本上垂直于盤面分布，并且這些盤在它們的共同的極化方向上被堆垛起來，以便形成一個所謂的壓電堆(piezostapel)。作為壓電元件2的材料，可以使用例如石英、電氣石、鈦酸鋇(BaTiO3)或者如主要是鋯酸鉛-鈦酸鉛或PZT(PbZrO3-PbTiO3)之類的特別的壓電陶瓷，但是，有機鹽如NaK-酒石酸鹽或大量的另外公知的壓電材料也是合適的。
在單個壓電盤2之間分別安置一個內(nèi)電極7，8，9和10。在壓電堆的側(cè)面16，17，18和19上，分別在壓電堆的全部高度上安裝一個外電極3，4，5和6，這些外電極可以例如以一個安置在側(cè)面上的釬焊層的形式構(gòu)成。如同在圖2A到圖2D對于在堆垛方向上彼此相隨的內(nèi)電極7到10所示出那樣，每個內(nèi)電極7，8，9和10分別僅與一個外電極3，4，5和6接通，即，在壓電堆中，內(nèi)電極7到10每次只是向一個側(cè)面16，17，18或19伸展，而與其余的側(cè)面16-19或者與其余的外電極3-6有一個距離。在沒有被貫穿接通的區(qū)域13，壓電陶瓷2總是被充分燒結(jié)。
為了得到所希望的壓電執(zhí)行元件1的作用，按如下方式進行內(nèi)一外電極連接布線。外電極3-6被分成3，5和4，6兩組，每組可分別與一個控制電壓源11的一個接頭12a或12b電連接。內(nèi)電極7-10如此與外電極3-6接通，使得總是一個內(nèi)電極7，9和控制電壓源11的一個接頭12a電連接，而在堆垛方向上接著的一個內(nèi)電極8，10和控制電壓源11的另一個接頭12b電連接。從而，每個盤形的壓電元件2都在其兩個盤表面上與電極7，9或電極8，10連接，這些電極可通過外電極3，5及4，6由控制電壓源11施加一個電壓。與在通常的壓電執(zhí)行元件的場合一樣，在由電壓加載時，每個彼此以堆垛方式堆疊配置的壓電元件2在電極7，9與電極8，10之間所形成的電場方向上伸長，該電場方向與壓電盤2的極化方向重合。通過大量的堆垛起來的壓電元件2，就可獲得總的結(jié)構(gòu)配置的一個相對大的行程，在此，由于被堆垛起來的壓電元件2與外電極3-6的固定連接，該行程只能發(fā)生在這些外電極3-6之間的中間部位。
還應注意，使用總數(shù)為4個的外電極3-6而不是如同通常那樣只使用兩個外電極3-4，也改善了執(zhí)行元件1的排熱性能。如所公知的，壓電陶瓷的導熱性比起金屬的小得多。
此外，如同上面借助于圖4A到圖4B所說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明為了減小壓電執(zhí)行元件1中形成開裂的傾向，按照如下步驟將內(nèi)電極7-10與外電極3-6接通起來。每次一個內(nèi)電極7與一個外電極3接通，而在堆垛方向上相隨其后的內(nèi)電極8，9，10分別與另外的外電極4，5或6接通，在此，如上所述，總是一個內(nèi)電極7，9必須和控制電壓源11的一個接頭12a電連接，并且，在堆垛方向上相隨其后的內(nèi)電極8，10必須和控制電壓源11的另一個接頭12b電連接，以便借助于所產(chǎn)生的電場來形成在壓電元件2中的壓電效應。
對于在圖1和圖2A到圖2D中所示出的實施例，詳細示出，一個第一內(nèi)電極7與一個安裝在壓電堆的第一側(cè)面16上的一個第一外電極3接通，而該外電極3與控制電壓源11的第一接頭12a電連接(圖2A)；在堆垛方向上相隨內(nèi)電極7的內(nèi)電極8與安裝在壓電堆的第二側(cè)面17上的第二外電極4接通，而該外電極4與控制電壓源11的第二接頭12b電連接(圖2B)；在堆垛方向上相隨內(nèi)電極8的內(nèi)電極9與安裝在壓電堆的第三側(cè)面18上的第三外電極5接通，而該外電極5又與控制電壓源11的第一接頭12a電連接(圖2C)；在堆垛方向上相隨內(nèi)電極9的內(nèi)電極10與安裝在壓電堆的第四側(cè)面19上的第四外電極6接通，而該外電極6又與控制電壓源11的第二接頭2b電連接(圖2D)。內(nèi)電極7-10的這種配置順序在堆垛方向循環(huán)地繼續(xù)下去，使得在整個壓電堆的范圍內(nèi)得到貫穿接通區(qū)域14的一個均勻的分布。
原則上可以在上述的一般步驟范圍內(nèi)任意選定在一個循環(huán)周期內(nèi)的接通順序。同時也不是必定要將一組的外電極3，5和4，6分別安置在壓電堆的相對側(cè)面16，18和17，19上。但是，基于對稱性和與此相聯(lián)系的在壓電執(zhí)行元件1中的電場以及拉應力的均勻分布，沿著壓電堆的外圍表面或側(cè)面16-19交替地配置兩組外電極3-6或極性是有利的。
此外，在上述的實施例中，壓電盤具有一個大致正方形的基面。但是本發(fā)明并不局限在這種實施形式上，恰恰相反，基面也可以是長方形、四邊形或者圓形。外電極3-6的數(shù)量以及它們與內(nèi)電極7-10的接通可按類似于上面在圖1和圖2中所討論的方式進行。
此外，在圖1中作為例子在外電極3上安裝或釬焊上一個波紋形電極20。相應地也可在另外3個外電極4-6上設置波紋形電極20。
在分別與一個外電極3接通的兩個內(nèi)電極7之間的中部區(qū)域，這些波紋形電極20分別與外電極3釬焊起來。在上述的內(nèi)電極7-10配置的周期性順序中，波紋形電極20的波長是兩個彼此相隨的內(nèi)電極之間距離的4倍。如同圖4B所示，在執(zhí)行元件中可能出現(xiàn)開裂15的場合，可以通過波紋形電極20來彌補一個在外電極3-6上所產(chǎn)生的開裂，從而確保了所有內(nèi)電極7-10的牢固可靠的接通。對于波紋形電極，使用由導電材料制成的板材，主要是厚度為0.05mm的黃銅板。
在一個通常的執(zhí)行元件1的場合，如同圖3所示，即便使用波紋形電極20，波紋形電極20的波長也僅是兩個彼此相隨的內(nèi)電極7，9之間距離的2倍。由此就存在波紋形電極20整面地(vollflachig)與外電極3，4焊接從而不能確?？煽康貜浹a開裂的危險。
權(quán)利要求
1.壓電執(zhí)行元件(1)，具有，多個由壓電材料制成的盤(2)，這些盤的極化方向垂直于盤面，并且這些盤以其極化方向作為堆垛方向而彼此堆疊起來；一個帶有兩個接頭(12a，12b)的控制電壓源(11)；每組至少有兩個外電極的兩個外電極組(3，5；4，6)，其中，第一組外電極(3，5)與控制電壓源(11)的第一接頭(12a)電連接，第二組外電極(4，6)與控制電壓源(11)的第二接頭(12b)電連接，并且外電極(3，4，5，6)分別被安裝在壓電盤(2)堆的不同的側(cè)面(16，17，18，19)上；多個內(nèi)電極(7，8，9，10)，它們分別配置在壓電盤(2)之間，并且如此交替地與外電極(3，4，5，6)接通，使得一個內(nèi)電極(7，9)總與控制電壓源(11)的第一接頭(12a)電連接，而在堆垛方向相隨它們后面的內(nèi)電極(8，10)總與控制電壓源(11)的第二接頭(12b)電連接，這里，內(nèi)電極(7-10)以循環(huán)的順序方式與外電極(3-6)接通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電執(zhí)行元件，其特征為，兩組外電極(3，4，5，6)沿著堆垛的外圍交替地配置。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的壓電執(zhí)行元件，其特征為，壓電盤(2)的基面具有一個正方形的形狀。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的壓電執(zhí)行元件，其特征為，壓電材料是一個鋯酸鉛-鈦酸鉛-組系(PZT-組系)
5.根據(jù)權(quán)利要求2到4之一所述的壓電執(zhí)行元件，其特征為，在外電極(3-6)的外表面上分別安置了一個波紋形電極(20)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電執(zhí)行元件，其特征為，波紋形電極(20)的波長是兩個彼此相隨的內(nèi)電極(7-10)之間的距離的4倍，并且波紋形電極(20)與外電極(3-6)的接觸位置分別被安置在那些分別向著外電極(3-6)貫穿接通的內(nèi)電極(7-10)的區(qū)域之間。
全文摘要
一種壓電執(zhí)行元件(1),與現(xiàn)有技術(shù)相比,在該執(zhí)行元件中出現(xiàn)開裂的傾向明顯減小,彌補裂縫的可能性被改善。根據(jù)本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件,具有多個由壓電材料制成的盤(2)、一個帶有兩個接頭(12a,12b)的控制電壓源(11)、每組至少有兩個外電極的兩個外電極組(3,5;4,6)和多個內(nèi)電極(7,8,9,10),這些盤(2)的極化方向垂直于盤面并且在其極化方向而彼此堆疊起來,這些內(nèi)電極分別安置在壓電盤(2)之間,在此,第一組外電極(3,5)與控制電壓源(11)的第一接頭(12a)電連接,第二組外電極(4,6)與控制電壓源(11)的第二接頭(12b)電連接,而內(nèi)電極(7，8， 9，10)如此交替地與外電極(3,4,5,6)接通,使得一個內(nèi)電極(7,9)總是與控制電壓源(11)的第一接頭(12a)電連接,而在堆垛方向相隨它們的內(nèi)電極(8,10)總是與控制電壓源(11)的另外的接頭(12b)電連接,這里,內(nèi)電極(7—10)以循環(huán)順序與外電極(3－6)接通。
文檔編號H02N2/02GK1251211SQ98803468
公開日2000年4月19日 申請日期1998年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月22日
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