專利名稱：壓電執(zhí)行元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)獨立權(quán)利要求的類型特征的、用于例如操作一個機械部件如閥或類似部件的壓電執(zhí)行元件。
眾所周知，在利用所謂壓電效應(yīng)的情況下，一種壓電元件可部分地由具有合適的晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷材料來制成。當施加外部電壓時產(chǎn)生壓電元件的機械響應(yīng)，該響應(yīng)根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)及電壓的施加區(qū)域表現(xiàn)為一個預定方向上的壓力或拉力。這種壓電執(zhí)行元件尤其適于在快速且精確的開關(guān)過程中使用，例如在各種汽油或柴油噴射系統(tǒng)上用于內(nèi)燃機的噴射器。
該壓電執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)在此可用多個層作為所謂多層壓電執(zhí)行元件來實現(xiàn)，其中在其上面施加電壓的內(nèi)電極分別設(shè)置在這些層之間。為此，交替疊層的壓電薄膜用印刷上的電極面制作成內(nèi)電極。在此情況下，每個薄膜僅在一個連接側(cè)具有其連接端子并在位于對面的側(cè)上必須保留一個無內(nèi)電極的設(shè)有絕緣間距的邊緣。然后該兩個側(cè)在外部通過外電極相連接。這樣以本身公知方式形成的壓電執(zhí)行元件有如一個具有多個板的電容器。
該多層壓電執(zhí)行元件以本身公知的方式用一種所謂薄膜澆鑄方法由粉漿(Schlicker)來制造。由此產(chǎn)生的所謂濕(Gruen)薄膜在疊放后分層并接著被燒結(jié)?；蚴峭ㄟ^在燒結(jié)狀態(tài)中的硬化處理或是通過在濕狀態(tài)中即燒結(jié)前的造型得到所期望的幾何形狀。通常必須制造一種壓電執(zhí)行元件，它可受到保護以免潮濕及機械損傷。
在大多數(shù)內(nèi)電極設(shè)計樣式中，如前所述，在壓電執(zhí)行元件的一個面上交替的極性的每個內(nèi)電極伸出到該表面上來。這里存在著危險，即由于絕緣不充分或在運輸中、安裝中或工作中的機械損傷形成電極層之間的短路。這雖然可通過所謂半埋設(shè)或全埋設(shè)的內(nèi)電極設(shè)計樣式來應(yīng)付。在此情況下僅是一個極性的內(nèi)電極或完全無內(nèi)電極向外連接到面上，這些面不需要接觸。但是該方法與精確的及由此昂貴的疊層和/或分隔方法相聯(lián)系。
例如已由DE 199 28 180 A1公知了在外電極的接觸部分之間的區(qū)域中，壓電層向內(nèi)空出一個預定的量，以形成一個槽。該槽在壓電執(zhí)行元件的表面加工時及在施加外電極時避免外電極之間的電極材料的擦抹并由此導致壓電執(zhí)行元件的擊穿強度的明顯改善。
本發(fā)明的優(yōu)點開始部分所述的、例如可用于操作一個機械部件的壓電執(zhí)行元件構(gòu)造有多個壓電層及設(shè)置在它們之間的內(nèi)電極的多層結(jié)構(gòu)。還帶有內(nèi)電極與外電極的交替的接觸部分，其中這些外電極之間的區(qū)域設(shè)置合適的絕緣。根據(jù)本發(fā)明以特別有利的方式在外電極之間的區(qū)域中，在壓電執(zhí)行元件的外表面上施加了由與壓電層——例如粉漿——幾乎相同的特性的、優(yōu)選是陶瓷材料制成的絕緣層。以特別有利的方式甚至使用相同的粉漿，這種粉漿也用于壓電層的薄膜澆鑄。
外電極則可用簡單的方式被施加在磨削掉絕緣材料的區(qū)域中。
根據(jù)一個有利的制造方法，在第一方法步驟中，在壓電執(zhí)行元件的濕狀態(tài)中即在燒結(jié)前，在壓電執(zhí)行元件的外部完整地施加絕緣層。為此壓電執(zhí)行元件可所有面所有面地浸入粉漿中。如果必要，該壓電執(zhí)行元件也可僅在一些敏感的側(cè)被施加層，在這些敏感的側(cè)上，兩種極性的內(nèi)電極向外伸出。對此，一種合適的方法是所謂的浸漬液(Tauchflut)方法。
通過根據(jù)本發(fā)明可實現(xiàn)施加的層厚度被作成在典型的50-400μm的范圍中。該層厚度在燒結(jié)后視燒結(jié)收縮而定減小10-30％。在此情況下一個確定的層厚度可通過粉漿的粘度和/或通過多重施加層來達到。在此，一個合適的層厚度可保證內(nèi)電極到表面的足夠?qū)娱g距并由此防止內(nèi)電極之間的放電。此外，層厚度應(yīng)被這樣地調(diào)整，以使得該層厚度在工作中不斷裂。
如果制造絕緣的保護層使用與壓電執(zhí)行元件本身相同的陶瓷材料，則在接著的燒結(jié)時將形成壓電層的薄膜疊層的陶瓷與外部的絕緣層之間的非常緊密的連接，其中該陶瓷層成為執(zhí)行元件的一個有效的保護套。在通常使用的壓電陶瓷中出現(xiàn)的封閉孔隙度的情況下，當層厚度足夠大時，該陶瓷層甚至不使潮濕透過。在壓電執(zhí)行元件燒結(jié)后，使在其上接觸外電極的區(qū)域及必要時端面露出。例如通過磨削或蝕刻來露出。
因此以有利的方式形成了一種抗短路的壓電執(zhí)行元件并保證壓電執(zhí)行元件在增高的濕度下使用。此外可改善壓電執(zhí)行元件的運輸且對于絕緣不需要涂漆。


以下將借助附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件的一個實施例。附圖表示圖1根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有由壓電陶瓷及電極作的層的多層結(jié)構(gòu)的一個壓電執(zhí)行元件的截面圖，圖2根據(jù)本發(fā)明的具有保護層及露出的外電極的壓電執(zhí)行元件的一個視圖，圖3根據(jù)圖2的壓電執(zhí)行元件的一個截面A-A，圖4及圖5在燒結(jié)后及在露出壓電執(zhí)行元件的外電極區(qū)域以前及以后的橫截面圖，圖6及圖7壓電執(zhí)行元件的內(nèi)電極設(shè)計的俯視圖。
實施例的說明圖1中表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個壓電執(zhí)行元件1的原理圖，該壓電執(zhí)行元件以公知的方式由具有適當晶體結(jié)構(gòu)的石英材料的多個壓電層或壓電薄膜構(gòu)成，由此通過接觸面或外電極5及6在內(nèi)電極3及4上施加一個外部電壓的情況下利用所謂的壓電效應(yīng)產(chǎn)生壓電執(zhí)行元件1的機械響應(yīng)。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件10，其中在外電極之間的區(qū)域中，這里可看到一個外電極11，該壓電執(zhí)行元件具有優(yōu)選由具有與壓電層2幾乎相同的特性的陶瓷材料作的絕緣層12及13，優(yōu)選由為粉漿制作。
由圖3可看出根據(jù)圖2的一個截面A-A，由其中同樣可看到內(nèi)電極14、15及層12與13。
為了說明制造方法，在圖4中表示出所謂的壓電執(zhí)行元件10的濕狀態(tài)，即在燒結(jié)前的狀態(tài)。在此，絕緣層12、13首先被完整地施加在壓電執(zhí)行元件10的外面。為此可完全地將壓電執(zhí)行元件10浸入作為絕緣層12及13的材料的粉漿中或固定的壓電執(zhí)行元件10可在一個槽中由粉漿浸潤，其中粉漿的裝料高度可被升高或提升。
圖5表示壓電執(zhí)行元件10在燒結(jié)后的狀態(tài)。在此，區(qū)域16及17通過磨削或蝕刻露出來并由此形成絕緣層12及13，在這些區(qū)域16及17上將接觸外電極11。
圖6及7中為內(nèi)電極14(見圖6)及內(nèi)電極15(見圖7)的內(nèi)電極樣式的俯視圖。在此可以看出，內(nèi)電極14在由圖5中可看到的區(qū)域16中、內(nèi)電極15在區(qū)域17中與相應(yīng)的外電極觸點接通。
權(quán)利要求
1.壓電執(zhí)行元件，具有多個壓電層(2)及設(shè)置在它們之間的內(nèi)電極(3，4；14，15)的多層結(jié)構(gòu)；這些內(nèi)電極(3，4；14，15)與外電極(5，6；11)交替的接觸部分，其中這些外電極(5，6；11)之間的區(qū)域設(shè)置有絕緣(12，13)；其特征在于在這些外電極(5，6；11)之間的區(qū)域中，在該壓電執(zhí)行元件(1；10)的外表面上施加了由具有與所述壓電層(2)幾乎相同的特性的一種材料作的絕緣層(12，13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電執(zhí)行元件，其特征在于該絕緣層(12，13)包圍著該壓電執(zhí)行元件(1；10)的棱邊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的壓電執(zhí)行元件，其特征在于所述絕緣材料是粉漿。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的壓電執(zhí)行元件，其特征在于這些外電極(5，6；11)被施加在磨削掉絕緣材料的區(qū)域中。
5.用于制造根據(jù)以上權(quán)利要求之一的壓電執(zhí)行元件的方法，其特征在于在第一方法步驟中，在燒結(jié)前的壓電執(zhí)行元件(10)的濕狀態(tài)中，在壓電執(zhí)行元件(10)的外部完整地施加絕緣層(12，13)；在壓電執(zhí)行元件(10)燒結(jié)后，使這些在其上將接觸外電極(5，6；11)的區(qū)域露出來。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于該壓電執(zhí)行元件(10)所有面或兩側(cè)被浸入到仍是液態(tài)的絕緣層中或用該液態(tài)的絕緣層來浸潤。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于在其上接觸外電極(5，6；11)的區(qū)域(16，17)通過磨削露出。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于在其上接觸外電極(5，6；11)的區(qū)域(16，17)通過蝕刻被露出。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于例如操作一個機械部件的壓電執(zhí)行元件，其中具有多個壓電層(2)及設(shè)置在它們之間的內(nèi)電極(3，4；14，15)的多層結(jié)構(gòu)。還設(shè)有這些內(nèi)電極(3，4；14，15)與外電極(5，6；11)交替的接觸部分，其中這些外電極(5，6)之間的區(qū)域設(shè)置有合適的絕緣(12，13)。在這些外電極(5，6；11)之間的區(qū)域中，在壓電執(zhí)行元件(1；10)的外表面上施加了由具有與所述壓電層(2)幾乎相同的特性的一種材料作的絕緣層(12，13)。
文檔編號H01L41/273GK1717816SQ03825701
公開日2006年1月4日 申請日期2003年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月23日
發(fā)明者貝爾特拉姆·薩格 申請人:羅伯特·博世有限公司