專利名稱：具有額定裂紋位置的壓電結(jié)構(gòu)件、其制造方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有至少一個整體的壓電元件的壓電結(jié)構(gòu)件，還涉及一個制造該結(jié)構(gòu)件的方法和該結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。
該壓電結(jié)構(gòu)件例如是一個具有由多個上下堆疊的整體的壓電元件構(gòu)成的一個整體的致動器本體的壓電的致動器(壓電致動器)。一個壓電元件由一個電極層，至少一個另外的電極層和至少一個在電極層之間安置的壓電陶瓷層構(gòu)成。該壓電元件的壓電陶瓷層和其電極層是被如此相互連接的，以便通過該電極層的一個電控制，一個電場被耦入到該壓電陶瓷層中。由于這個耦入的電場，故發(fā)生該壓電陶瓷層的偏移并因此發(fā)生該壓電元件的偏移。
一個所述的壓電致動器例如已在DE10026635A1中公開。在這個壓電致動器中，一些壓電元件被在一個堆疊方向上相互上下地配置為一個整體的致動器本體。其中多個被標稱為內(nèi)電極的電極層和多個壓電陶瓷層被上下交變地堆疊并且一起被燒結(jié)為該整體的致動器本體。該壓電陶瓷層由一種鋯(酸)鈦酸鉛(Pb(Ti，Zr)O3，PZT)構(gòu)成。該電極層由一種銀-鈀-合金構(gòu)成。為了該電極層的電接通，在堆疊方向上相鄰的電極層被交變地導(dǎo)引到該致動器本體之兩個相互電絕緣的，側(cè)向的表面部分上。在這些表面部分上，該致動器本體分別具有一個條形的金屬化結(jié)構(gòu)。
在該致動器本體之所述表面部分的區(qū)域中，該壓電元件之每個是壓電無效的。由于將電極層交變地導(dǎo)引到該表面部分上，故一個電場被耦入到該壓電層之一個壓電無效的區(qū)域中，而該電場明顯地不同于這個被耦入到該壓電陶瓷層之一個壓電有效區(qū)域中的電場。該壓電陶瓷層之壓電有效的區(qū)域與該壓電無效區(qū)域相反地直接位于該壓電元件的電極層之間。
在該電極層之電控制亦即在該壓電陶瓷之極性化和/或在該壓電致動器之運行中，由于不同的電場將在壓電激活的區(qū)域中和在壓電不激活的區(qū)域中發(fā)生該壓電陶瓷層之不同的偏移。由于這個結(jié)果則在壓電元件中出現(xiàn)機械的應(yīng)力，它可能導(dǎo)致一個橫向于堆疊方向的極性裂紋(Polungsriss)或?qū)е乱粋€已有裂口的一個裂口增長。其中該極性裂紋可能繼續(xù)下去并直至進入到該致動器本體之相應(yīng)的表面部分上設(shè)置的金屬化結(jié)構(gòu)中。這個就導(dǎo)致該致動器本體電極層之至少一部分的電接通之中斷。
為了使一個在致動器本體中巳有的極性裂紋不會導(dǎo)致該壓電致動器的中止，在公知的壓電致動器中于該致動器本體之側(cè)向設(shè)置的金屬化結(jié)構(gòu)上分別配置一個柔性的電連接元件。該柔性連接元件之每個具有多個導(dǎo)電導(dǎo)線。沿著該致動器本體的堆疊方向，一個連接元件的導(dǎo)線被釬焊在該金屬化結(jié)構(gòu)上。該導(dǎo)線應(yīng)用于致動器本體之電極層的電接通(通過相應(yīng)的金屬化結(jié)構(gòu)間接的)。為了該連接元件之導(dǎo)線的電接通，設(shè)置一個剛性的沿著致動器本體之堆疊方向定向定位的連接銷柱，其上釬焊了這些導(dǎo)線。該導(dǎo)線和該致動器本體之內(nèi)部電極的接通，即便當(dāng)通過該致動器本體的偏移(沿著堆疊方向的膨脹和收縮)而發(fā)生一個橫向于堆疊方向的極性裂紋或者發(fā)生一個已有的橫向于堆疊方向的極性裂紋增長時也被確保。
當(dāng)然，在所述壓電致動器動力運行中可能發(fā)生一個已有極性裂紋的偏離。該極性裂紋將不可控地增長。例如該極性裂紋不是橫向于堆疊方向而是平行于或近似平行于堆疊方向地增長。這在致動器本體中形成縱向裂紋。一個極性裂紋之這個不可控的增長可能是由于不利之內(nèi)在的和/或外在的影響因素所導(dǎo)致的。內(nèi)在的影響因素例如涉及一個壓電陶瓷層和/或一個電極層的組織結(jié)構(gòu)。該組織結(jié)構(gòu)可能在相應(yīng)的層內(nèi)部導(dǎo)致一個各向異性的斷裂阻力。該斷裂阻力在層內(nèi)部于不同的方向上是不同的。外在的影響因素例如是在動態(tài)運行中由于一個電的波前(Anstiegflanke)或者該致動器本體的夾緊不夠引起的。
由于極性裂紋不可控的增長可能導(dǎo)致該壓電致動器的停止。故該致動器的可靠性不能確保了。
由此本發(fā)明的任務(wù)是，由整體的壓電元件制備一個和現(xiàn)有技術(shù)相比更可靠的壓電結(jié)構(gòu)件。
為解決上述任務(wù)，提出一種具有至少一個整體的壓電元件的壓電結(jié)構(gòu)件，包括一個電極層，至少一個另外電極層，至少一個在電極層之間安置的壓電陶瓷層和至少一個額定裂紋位置，其在該壓電元件機械過度負荷時導(dǎo)致在該整體的壓電元件中形成一個確定的裂紋，其中該額定裂紋位置具有該電極層。
為解決上述任務(wù)，還提出一種制造該結(jié)構(gòu)件的方法，它具有如下方法步驟
a)制備一個具有壓電陶瓷的陶瓷綠色薄膜，它具有一個主表面和一個背向該主表面的其它主表面，b)將導(dǎo)電材料配置在該陶瓷綠色薄膜的這個主表面上和將另外導(dǎo)電材料配置在其它主表面上和c)將陶瓷綠色薄膜和導(dǎo)電材料共同地?zé)Y(jié)，因此由該導(dǎo)電材料構(gòu)成該壓電元件的電極層，由另外的導(dǎo)電材料構(gòu)成該壓電元件的另外的電極層并由陶瓷綠色薄膜構(gòu)成該壓電元件的壓電陶瓷層。
該額定裂紋位置是該壓電元件的一個組成部分，它在過度負荷時，可與一個安全措施相比擬地，通過形成一個裂口或通過一個已有裂口的增長被破壞。其中，該裂口基本上被限制在該額定裂紋位置上。只有該額定裂紋位置被破壞，但不是整個的壓電元件或該壓電元件的其他區(qū)域被破壞。該裂口被局限在額定裂紋位置上并且不擴展到該壓電元件的其他區(qū)域中。因此可實現(xiàn)，控制一個裂口的形成或一個裂口的增長。
該裂口導(dǎo)致該整體的壓電元件在該額定裂紋位置上的裂紋。該裂紋是一個過程，它造成一個原材料的機械感應(yīng)變形的終結(jié)。該裂紋特別是一個脆裂。該脆裂可以通過蠕變(蠕變裂紋)和特別是通過疲勞(疲勞裂紋)引起。關(guān)于疲勞可被理解為通過進展的裂口增長(導(dǎo)致)原材料的損壞，該裂口增長由于重復(fù)的(機械)應(yīng)力循環(huán)所導(dǎo)致。
在該額定裂紋位置上設(shè)有壓電元件的一個主要組成部分，亦即電極層之一。這就意味著，不必引入附加的組成部分以形成壓電元件的額定裂紋位置。壓電元件的附加組成部分可能導(dǎo)致壓電元件壓電激活體積的減小。這種附加的組成部分例如可是由壓電非激活陶瓷材料構(gòu)成的壓電元件的一個陶瓷保護層，而該壓電非激活陶瓷材料表征一個相比該壓電陶瓷層的壓電陶瓷較低的斷裂阻力。
在一個特別的設(shè)計方案中，該額定裂紋位置由電極層和/或由一個在電極層和壓電陶瓷層之間的邊界表面構(gòu)成。特別是對于這個由電極層構(gòu)成該額定裂紋位置的情況，該電極層的斷裂阻力要小于另外電極層的另外斷裂阻力。這就意味著，該電極層的電極材料的裂紋強度要小于另外電極層的另外電極材料的裂紋強度。同樣地，該電極材料的裂紋強度要小于該壓電陶瓷層的裂紋強度。與另外電極材料及壓電陶瓷相比較該電極材料的這個較低的裂紋強度就導(dǎo)致，在該電極層中存在所述額定裂紋位置。該電極層即是最弱的構(gòu)件。在機械過度負荷時則在該電極層中產(chǎn)生裂紋。
對于這個額定裂紋位置是由在電極層和壓電陶瓷層之間的邊界表面構(gòu)成的情況，該電極層和壓電陶瓷層相互間的粘接強度要小于所述另外電極層和壓電陶瓷層相互間的另外粘接強度。在該電極層和壓電陶瓷層之間的邊界表面即是最弱的構(gòu)件。在機械過度負荷時則在該電極層和壓電陶瓷層之間的邊界表面上產(chǎn)生一個裂紋。
為了實現(xiàn)不同的斷裂阻力或粘接強度，在一個特別的設(shè)計方案中，該電極層的電極材料和另外電極層的另外電極材料是不同的。該電極層由不同的電極原材料構(gòu)成。其中特別是，該電極原材料和另外的電極原材料在其化學(xué)成分和/或其材料結(jié)構(gòu)上是相互不同的。該材料結(jié)構(gòu)例如涉及構(gòu)造組成(例如核-殼-結(jié)構(gòu))和該電極原材料之金屬顆粒的尺寸大小(粒度)或其尺寸大小分布(粒度分布)以及該電極原材料的組織結(jié)構(gòu)。該組織結(jié)構(gòu)例如涉及電極原材料的孔隙率。該電極原材料的不同孔隙率例如可以在制造壓電元件時通過應(yīng)用不同的金屬膏實現(xiàn)。為了構(gòu)成電極層，該金屬膏被印刷到一個或多個電極層上。這些不同的金屬膏例如通過不同的膠合劑含量和/或固體含量來表征。作為該膠合劑和/或固體料例如可應(yīng)用這些在燒結(jié)時分解的材料。這種材料例如由碳或碳氫化合物構(gòu)成。例如該金屬膏包含塑料小球體。一個平均的顆粒直徑計為0,1μm至2,0μm。在分解或燒結(jié)時該塑料小球就燒光。則在燒結(jié)時產(chǎn)生的電極層中留下孔隙。不同的孔隙份額和/或孔隙大小導(dǎo)致不同的斷裂阻力和粘接強度。
該電極原材料的化學(xué)成分特別地涉及電極原材料的一種導(dǎo)電的電極材料。該電極層具有不同的導(dǎo)電電極材料。這些不同的電極材料可以由不同的元素構(gòu)成。例如該電極層的電極材料是鉑和另外電極層的另外電極材料是一種銀-鈀-合金。鉑例如表征了一個與銀-鈀-合金相比較為明顯較差的在鋯(酸)鈦酸鉛上的粘附性。因此，相對于該具有銀-鈀-合金的另外電極層和壓電陶瓷層的粘接強度，在具有鉑的該電極層和由鋯(酸)鈦酸鉛構(gòu)成的壓電陶瓷層之間形成一個較小的粘接強度。
但是，還可以想到的是，該電極原材料之不同的電極材料并非源自于不同的材料系，而是源自于一個相同的材料系。該電極材料具有相同的元素。當(dāng)然，電極材料與其它電極材料相比，元素的元素份額是不同的。例如該電極原材料的導(dǎo)電電極材料和另外電極原材料的導(dǎo)電電極材料分別是一種銀-鈀-合金，當(dāng)然具有不同的銀和鈀的元素份額。
該電極原材料的不同的化學(xué)成分，除了導(dǎo)電電極材料外也可以涉及一個用于導(dǎo)電電極材料的添加劑。例如兩個電極層的導(dǎo)電電極材料是等同的。但是該電極層的一個只由導(dǎo)電電極材料構(gòu)成，所述另外的電極層則與之不同由一種具有該導(dǎo)電電極材料和該添加劑的復(fù)合材料構(gòu)成。
作為例子，該壓電陶瓷層的壓電陶瓷是一種鋯(酸)鈦酸鉛。在燒結(jié)鋯(酸)鈦酸鉛時，鉛氧化物(PbO)則變?yōu)橛坞x的。通過將鋯(酸)鈦酸鹽((Ti，Zr)O2，ZTO)作為用于電極材料的添加劑，該鋯(酸)鈦酸鉛之在燒結(jié)時變?yōu)橛坞x的氧化鉛被結(jié)合。它構(gòu)成鋯(酸)鈦酸鉛，提高了這個在與由鋯(酸)鈦酸鉛構(gòu)成壓電陶瓷層之邊界表面上的粘接強度。為了提高該粘接強度，還可以直接將鋯(酸)鈦酸鉛作為添加劑應(yīng)用。作為優(yōu)選，所述另外的電極層被設(shè)有所稱的添加劑。依此實現(xiàn)所述另外電極層在壓電陶瓷層上一個改善的粘接強度。在和沒有這種添加劑的電極層之間的這個邊界表面則成為額定裂紋位置。
在一個另外的設(shè)計方案中，該電極層的電極結(jié)構(gòu)和另外電極層的另外電極結(jié)構(gòu)是相互不同的。通過不同構(gòu)造的電極層可應(yīng)用于，該電極層具有比另外電極層一個較低的斷裂阻力或者在該電極層和壓電陶瓷層之間形成一個比在另外電極層和壓電陶瓷層之間較低的粘接強度。為此該電極層例如被構(gòu)造為網(wǎng)格形的或者類似于帶孔面具的。這些不同的電極結(jié)構(gòu)例如在用金屬膏印制該陶瓷綠色薄膜時可以通過不同的印制設(shè)計圖案獲得。
通過該電極層的不同的層厚度，同樣地可以影響斷裂阻力和粘接強度。由此在一個特別的設(shè)計方案中，該電極結(jié)構(gòu)涉及一個電極層厚度和這另外的電極結(jié)構(gòu)涉及一個另外的電極層厚度。其中該電極層的每個通?？梢跃哂幸粋€近似相同的電極層厚度。也可以想到，該電極層厚度在一個電極層內(nèi)是不同的。例如沿著該電極層或另外電極層之一個橫向的延伸方向上存在該電極層厚度的一個梯度關(guān)系。
在一個特別的設(shè)計方案中，多個壓電元件以一個堆疊方向配置為一個整體的堆疊形的致動器本體。這些壓電元件被上下堆疊為該致動器本體。其中該致動器本體可以只由分別具有一個額定裂紋位置的壓電元件構(gòu)成。在一個特別的設(shè)計方案中，該壓電元件和至少一個另外的壓電元件以一個堆疊方向配置為一個整體的、堆疊形的致動器本體，其中所述另外的壓電元件至少具有兩個另外的電極層和至少一個在所述另外電極層之間安置的另外壓電陶瓷層。所述另外的壓電陶瓷層可以由一種與具有額定裂紋位置之壓電元件的壓電陶瓷層所不同的壓電陶瓷材料構(gòu)成。但是作為優(yōu)選，該壓電元件和另外的壓電元件具有相同的壓電陶瓷材料。當(dāng)這些另外的電極層是相同的時候，在所述另外的壓電元件中至少就該電極層來說不會造成額定裂紋位置。最好是，與具有額定裂紋位置的壓電元件相比，明顯多的沒有額定裂紋位置的另外壓電元件被上下地安置。這就實現(xiàn)一個致動器本體，其中存在少一些的額定裂紋位置。這些額定裂紋位置被沿著堆疊方向分布在致動器本體上。
在一個特別的設(shè)計方案中，多個壓電元件和多個另外的壓電元件被如此安置為整體的堆疊形的致動器本體，以便相鄰的壓電元件分別具有至少一個共同的電極層并且該共同的電極層在該致動器本體的堆疊方向上被交變地導(dǎo)致到該致動器本體之至少兩個相互電絕緣的側(cè)向表面部分上。該致動器本體的一個側(cè)向表面部分例如由該致動器本體的一個側(cè)表面或其一個邊緣構(gòu)成，其上被設(shè)置一個金屬化軌道。這就產(chǎn)生一個具有多層電容結(jié)構(gòu)的致動器本體。在這個多層電容結(jié)構(gòu)內(nèi)部，該電極層被交變地導(dǎo)引到相互電絕緣的表面部分上。
在一個特別的設(shè)計方案中，多個壓電元件被配置為具有多個額定裂紋位置的致動器本體，以便該額定裂紋位置沿著該致動器本體的堆疊方向具有一個關(guān)于機械過度負荷的梯度關(guān)系，其中分別發(fā)生一個裂紋的形成。這存在一個強度梯度。因此這個設(shè)計方案，當(dāng)沿著該堆疊方向出現(xiàn)該致動器本體之機械過度負荷的一個對應(yīng)的梯度時是很有利的。為了形成該強度梯度可以應(yīng)用上面已說明的用于影響該單個電極層和邊界表面之強度的可能方案。此外通過在制造該致動器本體時適宜的過程控制，該強度梯度的形成就可以有利地實現(xiàn)。因此作為例子，在共同燒結(jié)鋯(酸)鈦酸鉛和一個銀-鈀-合金的電極材料時就可以在電極層和壓電陶瓷層之間加速構(gòu)成一個無定形的鋁-鈀氧化物-中間層。
在一個另外的設(shè)計方案中，該致動器本體壓電元件之至少一個的額定裂紋位置被如此設(shè)置使一個在該壓電元件中出現(xiàn)的裂紋將該致動器本體分開為至少兩個分堆塊并且該相應(yīng)分堆塊之那些被導(dǎo)引到一個共同的側(cè)向表面部分上的電極層借助一個電氣的部分-連接元件保持電接通。該部分-連接元件借助一個導(dǎo)電連接介質(zhì)被電氣和機械地接通到該側(cè)向表面部分上。該導(dǎo)電連接介質(zhì)例如是一種傳導(dǎo)粘接劑或一種焊料。該部分-連接元件被粘接或釬焊到該表面部分上。通過焊接的連接同樣是可以想到的。
該電氣的部分-連接元件最好是一個柔性的部分-連接元件。因此該部分-連接元件就能實現(xiàn)，跟著該致動器本體的分堆塊的膨脹和收縮而應(yīng)變。
這種柔性的部分-連接元件例如由一個結(jié)構(gòu)化的導(dǎo)電薄膜構(gòu)成。在一個特別的設(shè)計方案中，該電氣的部分-連接元件具有至少一個導(dǎo)電導(dǎo)線。例如該部分-連接元件由多個導(dǎo)線或一個金屬絲編網(wǎng)構(gòu)成?？梢韵氲剑粋€部分-連接元件還特別是一個單股導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)形式。其中該導(dǎo)線的尺寸設(shè)計確保對于控制該分堆塊的要被接通的電極層來說所必需的載流能力。
此外，該導(dǎo)線或金屬絲編網(wǎng)和在該致動器本體的側(cè)向表面部分上的所述連接要在考慮到該分堆塊的膨脹和收縮時將要出現(xiàn)的機械應(yīng)力情況下作結(jié)構(gòu)設(shè)置。這些機械應(yīng)力可能從分堆塊到另外分堆塊是不同的。因此產(chǎn)生對該部分-連接元件及其在所述表面部分上的連接有不同的要求。在該致動器本體之靜止區(qū)域的一個分堆塊-其中通過該電極層的控制可導(dǎo)致該分堆塊的只是微小的偏移-情況下，作為例子應(yīng)用一個單股的和其相對細的導(dǎo)線用于該電極層的電接通就足夠了。與此不同，優(yōu)選的是，在該致動器本體之一區(qū)域的一個分堆塊一其中出現(xiàn)一個大的偏移—情況下則應(yīng)用多個細的和因此較柔性的導(dǎo)線。
為了給不同的分堆塊之電極層提供相同的電動勢，這些對應(yīng)的部分-連接元件被組合成一個共同的連接元件。為此作為例子，該導(dǎo)線借助一個另外的連接介質(zhì)被以導(dǎo)電和力接合地釬焊或粘接到一個共同的剛性的電氣連接銷柱上。該電氣連接元件或電氣的部分-連接元件作為導(dǎo)線扇(Drahtharfe)的形式存在。
關(guān)于該方法，用于配置該導(dǎo)電材料和/或用于配置另外的導(dǎo)電材料分別應(yīng)用一個具有不同成分的金屬膏。該金屬膏被印刷到一個或多個陶瓷綠色薄膜上。為了印刷例如實施絲網(wǎng)印刷方法。其中該電極材料和/或另外的電極材料可以被不同地結(jié)構(gòu)化，例如被覆置一個不同的層厚度。作為優(yōu)選，印刷上不同的電極材料。作為例子，該電極材料由一種銀-鈀-合金構(gòu)成，與其不同，所述另外電極層的電極材料則由一種鉑-合金構(gòu)成。當(dāng)這些材料被不同程度地固定連接到在燒結(jié)時產(chǎn)生的壓電陶瓷層上時，就產(chǎn)生具有不同粘接強度的邊界表面。
這個所述的壓電結(jié)構(gòu)件，特別是這個具有整體的多層結(jié)構(gòu)方式的致動器本體的壓電致動器，最好被應(yīng)用于控制一個閥門并特別地用于控制內(nèi)燃機的一個噴射閥。
總之借助本發(fā)明可獲得下面實質(zhì)性的優(yōu)點-借助該額定裂紋位置可實現(xiàn)，控制并限制在一個壓電結(jié)構(gòu)件中裂口的形成和裂口之增長(特別是縱向裂口)。這就實現(xiàn)一個與現(xiàn)有技術(shù)相比更加可靠的結(jié)構(gòu)件。
-因為該額定裂紋位置是在包裹該電極層情況下實現(xiàn)的，故提供了一個具有最大可能壓電激活體積的壓電結(jié)構(gòu)件。
-通過控制該裂口，該結(jié)構(gòu)件的電極層的電接通就變簡單了。
-用于制造具有額定裂紋位置的壓電結(jié)構(gòu)件的本方法可以被組合設(shè)置到用于壓電致動器的已有制造方法中。
下面借助一個實施例和所屬的附圖詳細描述本發(fā)明。附圖是示意性的并不是尺寸精確的復(fù)制圖。


圖1表明一個壓電元件和另一個壓電元件對應(yīng)的側(cè)視橫截面圖，圖2A和2B表明一個具有電極層的額定裂紋位置的局部圖，在電極層上或其中存在一個裂口，圖3表明一個為壓電致動器形式的壓電結(jié)構(gòu)件的側(cè)視局部圖，該壓電致動器具有一個整體的多層結(jié)構(gòu)方式的致動器本體。
該壓電結(jié)構(gòu)件1是一個具有一個為整體的多層結(jié)構(gòu)方式(圖3)之致動器本體20的壓電致動器。該致動器本體20的一個基礎(chǔ)表面是正方形的。
該致動器本體20由上下堆疊的壓電元件10和另外的壓電元件11(圖1)構(gòu)成。其中，一個壓電元件10由一個電極層101，至少一個另外的電極層102和至少一個在電極層101和102之間安置的壓電陶瓷層103構(gòu)成。該壓電陶瓷層103是由一種鋯(酸)鈦酸鉛構(gòu)成的。
該電極層101和102被安置在該壓電陶瓷層103的主表面上，以便通過該電極層101和102的電氣控制，一個電場被耦入到該壓電陶瓷層103中，因此發(fā)生該壓電陶瓷層103的偏移并因此該壓電元件10的偏移。
為了電接通，該電極層101和102被導(dǎo)引到該壓電元件10之兩個相互電絕緣的側(cè)向表面部分104和105上。在這些表面部分104和105上，兩個電極層101和102分別與一個(圖1中未示出)電連接元件電接通。通過將該電極層101和102導(dǎo)引到相互分開的表面部分104和105上，該壓電元件10就具有一個壓電激活區(qū)域106和至少兩個壓電無效區(qū)域107。
這個另外的壓電元件11原理上完全如一個壓電元件10一樣的構(gòu)造。在所述另外的壓電元件11的另外的電極層111之間安置一個由該鋯(酸)鈦酸鉛構(gòu)成的另外的壓電陶瓷層113。該電極層111被導(dǎo)引到所述另外壓電元件11之側(cè)向表面部分114和115上并在那里為電接通。通過所述另外電極層111的電控制則發(fā)生所述另外壓電元件11的偏移。所述另外壓電元件是被同樣地構(gòu)造，即，實現(xiàn)所述另外壓電元件的一個另外的壓電有效區(qū)域116和壓電無效區(qū)域117。
壓電元件10和另外壓電元件11被安置為整體的堆疊形的致動器本體20，以便相鄰的壓電元件200和201具有共同的電極層202和203，它們(202，203)在該致動器本體20的堆疊方向21上被交變地導(dǎo)引到該致動器本體20之兩個相互電絕緣的側(cè)向表面部分204和205上。該致動器本體20因此由多個上下交變堆疊的壓電陶瓷層和電極層構(gòu)成。
該致動器本體20的側(cè)向表面部分204由壓電元件10和另外壓電元件11的側(cè)向表面部分104和114構(gòu)成。該致動器本體20另外的側(cè)向表面部分205則由壓電元件10和另外壓電元件11另外的側(cè)向表面部分105和115所構(gòu)成。為了該電極層101和另外電極層102或111電接通，在該致動器本體20側(cè)向表面部分204和205上設(shè)置金屬化軌道206，其上通過焊料軌道207釬焊了電連接元件24。電連接元件24中的每個由導(dǎo)電導(dǎo)線241構(gòu)成，其中導(dǎo)線241為了對電極層施加相同的電動勢被焊接在一個共同的剛性的電連接銷柱242(通過焊料軌道243)上。可替代的方案是，該連接元件24之每個由一個被結(jié)構(gòu)化的導(dǎo)電之金屬薄膜構(gòu)成。
在壓電元件10和另外壓電元件11之間的差別在于，該壓電元件10之電極層101具有一個額定裂紋位置100。與此不同，所述另外壓電元件11之另外的電極層111則沒有額定裂紋位置100。
在一個第一實施設(shè)計方案中，該額定裂紋位置100唯一地由一個壓電元件10之電極層101構(gòu)成(圖2A)。為此該電極層101的斷裂阻力要小于該壓電元件10之另外電極層102的斷裂阻力以及該壓電元件之壓電陶瓷層103的斷裂阻力。同樣地，該電極層101的斷裂阻力要小于所述另外壓電元件11之另外電極層111和壓電陶瓷層113之?dāng)嗔炎枇?。因此確保，在致動器本體20之機械的過度負荷時就可以精確地在壓電元件10的額定裂紋位置100上產(chǎn)生一個裂紋110。通過這種不同的斷裂阻力還致力于，該裂口110基本上停留在額定裂紋位置100上。該裂口110雖然可以擴展到這個在致動器本體20側(cè)向表面部分204上設(shè)置的金屬化軌道206中和所覆置的焊料軌道207中，但是不會擴展到該壓電元件10或該致動器本體20的其它區(qū)域中。該裂口110保持局限在該額定裂紋位置100上。
在另一個實施例中，該額定裂紋位置100通過在該壓電元件10之電極層101和鄰接的壓電陶瓷層103之間的一個邊界表面108構(gòu)成(圖2B)。該額定裂紋位置100如此獲得，即，該電極層101和壓電陶瓷層103相互間的粘接強度要小于該壓電陶瓷層103和另外電極層102相互間的粘接強度。同樣地，該電極層101和壓電陶瓷層103相互間的粘接強度要小于所述另外壓電元件11之另外電極層111和另外壓電陶瓷層113相互間的粘接強度。通過這種較小的粘接強度就實現(xiàn)了，在該致動器本體20機械過度負荷時，基本上只在該邊界表面108處發(fā)生裂紋110。同時實現(xiàn)了，該鄰接的壓電陶瓷層103具有一個相對高的抗裂能力并因此防止了在這個壓電陶瓷層103中的裂紋增長或裂紋擴展。
為了實現(xiàn)不同的斷裂阻力或粘接強度，按照一個第一實施例，應(yīng)用了具有不同電極材料的電極層101，102及111。按照一種替代方案，該電極層具有不同的電極結(jié)構(gòu)。
按照關(guān)于致動器本體20的一個第一實施例，設(shè)置一個具有一個額定裂紋位置100的單一電極層101。該致動器本體20由兩個相鄰的具有額定裂紋位置100的壓電元件10和多個另外的沒有額定裂紋位置100的壓電元件11構(gòu)成。在該致動器本體20機械過度負荷時，就在該額定裂紋位置100處發(fā)生一個裂紋形成。因此該致動器本體20被分開為兩個分堆塊22和23。一個分堆塊22之(這些)被分別導(dǎo)引到該致動器本體20的一個共同的表面部分204上的電極層221則在發(fā)生那種可延伸到金屬化軌道206和焊料軌道207中的裂紋110時仍與一個電氣的部分-連接元件222的導(dǎo)電的導(dǎo)線223保持電接通。
其中，為了確保該電接通，對于該單一分堆塊22的相應(yīng)一個共同的表面部分204來說一個單獨的部分-連接元件222就足夠了。這個對此必需的部分-連接元件222可以只具有一個單獨的相應(yīng)地尺寸設(shè)計的導(dǎo)電導(dǎo)線223。作為替代方案，該部分-連接元件222之每個由多個導(dǎo)線223或一個結(jié)構(gòu)化的金屬薄膜構(gòu)成。該導(dǎo)線或這些導(dǎo)線和這個被結(jié)構(gòu)化的導(dǎo)電薄膜設(shè)計為，確保對于該致動器本體20分堆塊22之電極層的控制來說一個所必需的載流能力。
按照關(guān)于致動器本體20的另一個實施例，多個額定裂紋位置100以堆疊方向21分布在致動器本體20中。該額定裂紋位置100導(dǎo)致將致動器本體20分開為多個分堆塊22和23。對于分堆塊22和23之每個設(shè)置相應(yīng)的部分-連接元件222。
在一個具有多個額定裂紋位置100的致動器本體20的改進方案中，不同的機械過度負荷將導(dǎo)致在額定裂紋位置100處形成裂紋110。其中該額定裂紋位置100設(shè)計為使沿著該致動器本體20堆疊方向21上存在一個關(guān)于引起該裂紋110形成的臨界過度負荷的梯度關(guān)系。為此，所屬的電極層具有不同的斷裂阻力和/或該電極層在相鄰壓電陶瓷層上的粘接強度是不同的。
權(quán)利要求
1.壓電結(jié)構(gòu)件(1)，具有至少一個整體的壓電元件(10)，包括-一個電極層(101)，-至少一個另外的電極層(102)，-至少一個在電極層(101，102)之間安置的壓電陶瓷層(103)和-至少一個額定裂紋位置(100)，其在該壓電元件(10)機械過度負荷時導(dǎo)致在該整體的壓電元件(10)中形成一個確定的裂紋(110)，其中-該額定裂紋位置(100)具有電極層(101)。
2.按權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該額定裂紋位置(100)由電極層(101)和/或在電極層(101)和壓電陶瓷層(103)之間的一個邊界表面(108)構(gòu)成。
3.按權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該額定裂紋位置(100)由電極層(101)構(gòu)成，該電極層(101)的斷裂阻力小于所述另外的電極層(102)的另外的斷裂阻力。
4.按權(quán)利要求2的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該額定裂紋位置(100)由在電極層(101)和壓電陶瓷層(103)之間的邊界表面(108)構(gòu)成，該電極層(101)及壓電陶瓷層(103)在邊界表面(108)處相互間的粘接強度小于所述另外電極層(102)及壓電陶瓷層(103)在另一邊界表面(109)處相互間的另外粘接強度。
5.按權(quán)利要求1-4之一的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該電極層(101)的電極原材料和另外電極層(102)的另外電極原材料是相互不同的。
6.按權(quán)利要求5的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該電極原材料和另外電極原材料在其化學(xué)成分和/或其組織結(jié)構(gòu)上是相互不同的。
7.按權(quán)利要求6的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該化學(xué)成分是一個導(dǎo)電的電極材料。
8.按權(quán)利要求6或7的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該化學(xué)成分是一種用于導(dǎo)電電極材料的添加劑。
9.按權(quán)利要求1-8之一的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該電極層(101)的電極結(jié)構(gòu)和另外電極層(102)的另外電極結(jié)構(gòu)是相互不同的。
10.按權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該電極結(jié)構(gòu)涉及一個電極層厚度，另外電極結(jié)構(gòu)涉及一個另外電極層厚度。
11.按權(quán)利要求1-10之一的結(jié)構(gòu)件，其特征在于多個壓電元件(10)以一個堆疊方向(21)配置為一個整體的堆疊形的致動器本體(20)。
12.按權(quán)利要求1-11之一的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該壓電元件(10)和至少一個另外的壓電元件(11)以一個堆疊方向(21)配置為一個整體的堆疊形致動器本體(20)，其中所述另外的壓電元件(11)具有至少兩個另外的電極層(111)和至少一個在這另外的電極層(111)之間安置的另外壓電陶瓷層(113)。
13.按權(quán)利要求12的結(jié)構(gòu)件，其特征在于多個壓電元件(10)和多個另外的壓電元件(11)被配置為整體的堆疊形的致動器本體(20)，以便-相鄰的壓電元件(200，201)分別具有至少一個共同的電極層(202，203)和-該共同的電極層(202，203)在致動器本體(20)之堆疊方向(21)上被交變地導(dǎo)引到該致動器本體(20)的至少兩個相互電絕緣的側(cè)向表面部分(204，205)上。
14.按權(quán)利要求11-13之一的結(jié)構(gòu)件，其特征在于多個壓電元件(10)被配置為一個具有多個額定裂紋位置(100)的致動器本體(20)，以便該額定裂紋位置(100)沿著該致動器本體(20)的堆疊方向(21)具有一個關(guān)于機械過度負荷的梯度關(guān)系，其中分別導(dǎo)致一個裂紋(110)的形成。
15.按權(quán)利要求11-14之一的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該致動器本體(20)的壓電元件(10)中的至少一個的額定裂紋位置(100)設(shè)計為使一個在壓電元件(10)中出現(xiàn)的裂紋(110)將致動器本體(20)分開為至少兩個分堆塊(22，23)，該相應(yīng)的分堆塊(22)的這些被導(dǎo)引到一個共同側(cè)向表面部分(204)上的電極層(221)借助一個電氣的部分-連接元件(222)仍保持電接通。
16.按權(quán)利要求15的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該電氣的部分-連接元件(222)具有至少一個導(dǎo)電導(dǎo)線(223)。
17.按權(quán)利要求15或16的結(jié)構(gòu)件，其特征在于該電氣的部分-連接元件(222)具有一個被結(jié)構(gòu)化的導(dǎo)電薄膜。
18.用于制造權(quán)利要求1-17之一限定的壓電結(jié)構(gòu)件(1)的方法，具有如下方法步驟a)制備一個具有壓電陶瓷的陶瓷綠色薄膜，它具有一個主表面和一個背向該主表面的其它主表面，b)將導(dǎo)電材料配置在該陶瓷綠色薄膜之這個主表面上和將另外導(dǎo)電材料配置在其其它主表面上和c)將陶瓷綠色薄膜和導(dǎo)電材料共同地?zé)Y(jié)，因此由該導(dǎo)電材料構(gòu)成該壓電元件的電極層，由另外的導(dǎo)電材料構(gòu)成另外的電極層并由陶瓷綠色薄膜構(gòu)成壓電陶瓷層。
19.按權(quán)利要求18的方法，其特征在于為了配置該導(dǎo)電材料和/或配置另外的導(dǎo)電材料分別應(yīng)用一種具有不同成分的金屬膏。
20.權(quán)利要求1-17之一限定的壓電結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，其特征在于用于控制一個閥門，特別是控制內(nèi)燃機的一個噴射閥。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有至少一個整體的壓電元件(10)的壓電結(jié)構(gòu)件(1)，包括一個電極層(101)，至少一個另外的電極層(102)，至少一個在電極層之間安置的壓電陶瓷層(103)和至少一個額定裂紋位置(100)，其在該壓電元件機械過度負荷時導(dǎo)致在該整體的壓電元件中形成一個確定的裂紋(110)，其中該額定裂紋位置具有該電極層。該結(jié)構(gòu)件例如是一個具有整體的致動器本體(2)的壓電致動器，其中具有額定裂紋位置的壓電元件和沒有額定裂紋位置的另外壓電元件(11)被上下安置并被共同地?zé)Y(jié)。借助在致動器本體中的額定裂紋位置可實現(xiàn)，控制和限界裂紋生成和裂紋增長。這就實現(xiàn)一個相比現(xiàn)有技術(shù)更加可靠的結(jié)構(gòu)件。因為該額定裂紋位置是在包裹該電極層情況下被實現(xiàn)的，故提供了一個具有最大可能之壓電激活體積的壓電結(jié)構(gòu)件。該壓電結(jié)構(gòu)件在汽車技術(shù)中應(yīng)用于控制內(nèi)燃機的一個噴射閥。
文檔編號H01L41/273GK1774822SQ200580000044
公開日2006年5月17日 申請日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月29日
發(fā)明者H·J·卡斯特爾, C·舒 申請人:西門子公司