專利名稱：多層結(jié)構的壓電執(zhí)行器和壓電執(zhí)行器的外電極固定方法
多層結(jié)構的壓電執(zhí)行器和壓電執(zhí)行器的外電極固定方法提出一種多層結(jié)構的壓電執(zhí)行器，其中壓電層和電極層設置成一個堆垛。為了電接觸電極層，將外電極固定在堆垛的外側(cè)面上。這種壓電執(zhí)行器例如用于操縱汽車中的噴涂閥。在出版物EP 0844678 Bl中記載了一種壓電執(zhí)行器，其帶有固定在堆垛上的外電極。要實現(xiàn)的目的是，使得外電極盡可能無損傷地與由壓電層和電極層構成的堆垛連接。提出一種多層結(jié)構的帶有堆垛的壓電執(zhí)行器，該堆垛由壓電層和布置于壓電層之間的電極層構成。壓電執(zhí)行器具有至少一個外電極，所述外電極利用通過熱噴涂敷設的層固定在堆垛的外側(cè)面上。優(yōu)選堆垛的所有層都共同地被燒結(jié)，并形成整體的多層執(zhí)行器。對于壓電層來說， 例如使用含有壓電材料如鋯酸鹽-鈦酸鹽(PZT)的薄膜。為了形成電極層，可以采用絲網(wǎng)印刷方法將金屬膠例如銀-鈀膠或者也可以將含銅的膠敷設到膜上。這些膜接下來例如沿著縱軸線堆疊、壓實和共同地燒結(jié)。在這里，不必在每個壓電層上都敷設電極層。例如可以在兩個電極層之間有多個壓電層。這些壓電層被極化，從而它們在施加電壓情況下在相鄰的電極層之間沿著其極化方向延展。為了電接觸電極層，使得這些電極層與外電極連接。例如將兩個外電極安置在堆垛的兩個外側(cè)面上。這些電極層然后可以沿著堆垛方向交替地一直伸展至外電極之一， 并與其電連接，且相對于第二外電極向后錯開。以此方式，同一極性的電極層可以通過共同的外電極進行電接觸。為了實現(xiàn)可靠的電接觸，外電極必須可靠地固定在堆垛的外側(cè)面上。外電極利用通過熱噴涂敷設的附著層固定在堆垛上。這種固定方式的優(yōu)點是，在外電極固定在堆垛上的情況下，壓電陶瓷不會受到過度加熱而造成在堆垛上出現(xiàn)損傷。盡管可能在堆垛的外側(cè)面上出現(xiàn)局部的例如在 100°C-200°c范圍內(nèi)的高溫，但溫度升高并不涉及堆垛的整個體積，而是僅僅短暫地出現(xiàn)高溫。此外，通過熱噴涂敷設的附著層優(yōu)選緊靠在外電極和堆垛上，且具有較小的厚度。這可以實現(xiàn)特別節(jié)省空間地接觸壓電執(zhí)行器。附著層至少部分地附著在外電極和壓電堆垛上，因而將外電極固定在堆垛上。優(yōu)選附著層至少部分地附著在外電極頂面和堆垛外側(cè)面上。在這里，外電極的頂面是在外電極鋪設在堆垛上的情況下可直接從外面夠到的外電極側(cè)面。所述頂面包括可從外面清楚地看到的、平行于堆垛外側(cè)面布置的外電極區(qū)域。但術語“頂面”也包括外電極的可直接從外面夠到但無法從外面清楚地看到的區(qū)域，因為這些區(qū)域相對于堆垛外側(cè)面傾斜。這些區(qū)域例如是外電極邊緣處的區(qū)域，或者是限定外電極中的孔的外電極區(qū)域。例如，附著層覆蓋外電極的頂面。相應地，附著層為此優(yōu)選至少部分地附著在堆垛外側(cè)面的某些區(qū)域上，這些區(qū)域在鋪設外電極的情況下可直接從外面夠到，也就是說，未被外電極遮蓋。這些區(qū)域例如是堆垛外側(cè)面的圍繞外電極布置的區(qū)域，或者是透過外電極中的凹槽可從外面看到的區(qū)域。優(yōu)選附著層并不伸展到堆垛外側(cè)面與不能從外面夠到的外電極之間的區(qū)域中。這例如涉及如下區(qū)域，即在這些區(qū)域中，外電極覆蓋堆垛的外側(cè)面，因而朝向外面被遮暗。因此，外電極在這些區(qū)域中并不牢固地與堆垛連接。其優(yōu)點是，堆垛外側(cè)面上所產(chǎn)生的裂縫能被外電極越過，而不會延續(xù)到外電極中。但優(yōu)選外電極至少部分地直接貼靠在堆垛外側(cè)面上，而且與堆垛外側(cè)面電接觸。在這種情況下可行的是，直接通過外電極來接觸電極層。因而即使附著層較小或者不導電也可以接觸電極層。外電極和堆垛的與附著層直接機械接觸的區(qū)域基本上決定于所采用的熱噴涂方法。在這里，首先提供由壓電層與設置在壓電層之間的電極層構成的堆垛，并將外電極鋪設到堆垛的外側(cè)面上。接下來，將材料熱噴涂到構件上。這里優(yōu)選僅僅外電極和堆垛的部分區(qū)域被附著層覆蓋，所述部分區(qū)域可直接從外面，也就是從噴涂方向，被噴涂顆粒夠到。根據(jù)一種實施方式，在堆垛的外側(cè)面上布置有用于電接觸電極層的接觸層。外電極被固定在該接觸層上。優(yōu)選外電極至少部分地直接位于接觸層上。例如，接觸層是在燒結(jié)堆垛時一同燒上的基體金屬。它可以由與電極層相同的材料構成，例如由銀-鈀膠或者含銅的膠構成。在這里，接觸層在所謂的非活性區(qū)域中固定在堆垛的外側(cè)面上，在該區(qū)域中，每第二個電極層伸到堆垛的外側(cè)面，并與接觸層電接觸。例如，在堆垛的兩個對置側(cè)，接觸層設置在非活性的區(qū)域中。優(yōu)選附著層可導電。其優(yōu)點是，對電極層的電接觸也可通過附著層來實現(xiàn)，而并非僅能通過外電極來實現(xiàn)。因而，如果附著層伸入到外電極與堆垛之間的區(qū)域中并與接觸層或電極層電接觸，也可以確保對電極層的電接觸。此外，對電極層的電壓供應也可以通過固定在附著層上的另一接觸部分來進行。為此例如將金屬絲形式的引線焊接到附著層上。附著層例如含有金屬。金屬經(jīng)過優(yōu)選選擇，使得附著層良好地附著在基體金屬和金屬的外電極上，且能產(chǎn)生可靠的電連接。例如，附著層含有與基體金屬或外電極相同的金屬。附著層的金屬例如選自銅、銀、鋁和鋅。根據(jù)一種實施方式，外電極是具有孔的金屬絲網(wǎng)。金屬絲網(wǎng)例如是鋼絲網(wǎng)、銅絲網(wǎng)或鐵-鎳合金網(wǎng)。金屬絲也可以帶有銅層，由此可以改善外電極的焊接性。因而例如可以將用于施加電壓的電接頭特別良好地焊接到外電極上。金屬絲網(wǎng)也可以為多層結(jié)構。在這種情況下，將減小外電極徹底斷裂的可能性，從而使得電接觸特別可靠。根據(jù)另一實施方式，外電極是設有孔的板。例如，該板含有鋼、銅或鐵-鎳合金?？梢栽诎迳蠜_制開設出孔。這種具有孔的外電極可以特別良好地固定在堆垛上。在熱噴涂時，附著層從外面敷設到外電極頂面和堆垛上。在這種情況下，外電極特別可靠地固定在堆垛上，如果附著層同時附著在外電極和堆垛的盡可能多的區(qū)域上。附著層在堆垛上的盡可能多的附著部位優(yōu)選緊鄰附著層在外電極上的附著部位。優(yōu)選孔均勻地分布在外電極上，從而外電極可在盡可能多的部位與堆垛連接。
優(yōu)選孔填充有附著層。例如，堆垛外側(cè)面在孔的區(qū)域被附著層覆蓋。在這種情況下，附著層未必徹底充滿孔?？妆桓街鴮硬糠值靥畛渚妥銐蛄恕４送鈱⒔o出壓電執(zhí)行器的外電極固定方法。首先，提供由壓電層和布置于其間的電極層構成的堆垛。接下來，在堆垛的外側(cè)面上鋪設外電極。然后將材料敷設到外電極的部分頂面和堆垛的部分外側(cè)面上。優(yōu)選材料被熱噴涂，在這種情況下成為顆粒形式。由壓電層和布置于其間的電極層構成的堆垛優(yōu)選在外電極鋪設到外側(cè)面上之前被燒結(jié)。例如，接觸層被一同燒結(jié)在堆垛的外側(cè)面上，外電極被鋪設到該外側(cè)面上。材料經(jīng)過噴涂，使得外電極與堆垛牢固地連接。經(jīng)過熱噴涂的材料形成附著層，該附著層至少部分地附著在外電極頂面和堆垛外側(cè)面上。例如，在熱噴涂時采用的方法選自火焰噴涂、等離子噴涂、冷氣噴涂和電弧噴涂。根據(jù)該方法，材料成為顆粒形式，經(jīng)過加速，被拋擲到外電極和壓電堆垛的頂面上。在到達構件頂面時，噴涂顆粒會發(fā)生機械變形，并保持附著在表面上。該方法的主要差異在于顆粒的溫度和速度。因而，例如在火焰噴涂時，材料由于受熱而成為熔化的顆粒形式，并被拋擲到構件表面上。在冷氣噴涂時使用粉末狀材料，這種材料僅略微受熱，且被高速地拋擲到待涂層的表面上。在到達表面時，基于所產(chǎn)生的摩擦熱，顆粒相互結(jié)合，并與表面結(jié)合。熱噴涂方法的優(yōu)點是，堆垛在噴涂過程期間不必受熱，或者僅僅略微受熱，因而在堆垛上不會造成熱損傷或者熱損傷很小。堆垛的溫度在熱噴涂期間優(yōu)選低于形成附著層的材料的熔點溫度。堆垛的溫度例如小于200°C。這里也包含的內(nèi)容有，在堆垛外側(cè)面上短暫地產(chǎn)生局部高溫。但這種溫度并不涉及堆垛的整個體積，也不涉及堆垛的整個外側(cè)面。下面借助示意性的并非尺寸精準的附圖來介紹所提出的壓電執(zhí)行器及其有利的設計。附圖示出


圖1為帶有外電極和附著層的壓電執(zhí)行器的俯視圖； 圖2為根據(jù)圖1的帶有外電極和附著層的壓電執(zhí)行器的橫剖視圖； 圖3A-3D示出用于固定壓電執(zhí)行器的外電極的方法。圖1示出帶有堆垛11的壓電執(zhí)行器1，該堆垛由沿著堆垛方向S上下布置的壓電層(這里未示出)和電極層(這里未示出)構成，堆垛方向相應于堆垛11的縱軸線。壓電層和位于其間的電極層被共同地燒結(jié)而形成一個整體的燒結(jié)體。為了接觸電極層，在兩個對置的側(cè)面上安置有外電極6。圖1為一個側(cè)面的俯視圖，外電極6固定在該側(cè)面上。在堆垛 11的外側(cè)面上敷設有基體金屬形式的接觸層(這里看不到)，以便能實現(xiàn)改善電極層的電接觸和可靠地連接外電極6。外電極6是金屬絲網(wǎng)，并利用通過熱噴涂敷設的附著層4固定在堆垛11上。外電極6被附著層4覆蓋。圖1中示出處于附著層4下面的外電極6的輪廓，因而僅用虛線示出。附著層4附著在外電極6的頂面上，也就是說，附著在外電極6的背離堆垛11的側(cè)面上。這也包括外電極6的旁側(cè)區(qū)域。此外，附著層4還附著在接觸層的區(qū)域上。在該實施例中，外電極6延伸越過堆垛11，并與用于供應電壓的引線8連接。引線8被焊料81固定在外電極6上。引線8的連接例如還可以通過焊接來進行。外電極6不必越過堆垛11，而是也可以完全被附著層4覆蓋。在這種情況下，引線8也可以直接固定在附著層4上。圖2為圖1的壓電執(zhí)行器1的橫剖視圖。可俯視地看到壓電層2。由壓電層和電極層構成的堆垛11具有兩個對置的非活性的區(qū)域31a、31b。在非活性的區(qū)域31a、31b內(nèi)部，在堆垛方向S上，異名極的相鄰電極層未出現(xiàn)搭疊，因為這些電極層交替地一直引至壓電執(zhí)行器的外側(cè)面，并相對于對置的外側(cè)面向后錯開。在堆垛的外側(cè)面上敷設有接觸層fe、 恥，在這些接觸層上固定有外電極6a、6b。外電極6a、6b直接位于接觸層5ajb上面。這些電極層交替地被敷設到壓電執(zhí)行器1外側(cè)面上的外電極6a、6b之一電接觸。外電極6a、6b是金屬絲網(wǎng)，其中金屬絲相互交織。在這些金屬絲之間，在外電極 6a、6b中設有孔63。附著層^、4b附著在外電極6a、6b的部分頂面和堆垛11的部分外側(cè)面上，還伸入到外電極6a、6b的孔63中。因此，附著層^、4b在孔63的區(qū)域中，圍繞外電極6a、6b，附著在堆垛11外側(cè)面上的接觸層5ajb上。附著層^、4b還附著在外電極6a、 6b的頂面上，特別是還附著在外電極6a、6b的金屬絲的旁側(cè)區(qū)域上。這些旁側(cè)區(qū)域例如是包圍外電極6的孔63的區(qū)域以及外電極6a、6b的邊緣區(qū)域。相反，附著層4a、4b并不伸到外電極6a、6b的下面，也就是說，附著層^、4b并不直接位于堆垛11的外側(cè)面與外電極6a、 6b之間。在圖3A-3D中以剖視圖示意性地示出用于固定壓電執(zhí)行器1的外電極6a的方法。 在步驟A)中提供由壓電層2和布置于其間的電極層3構成的堆垛11。壓電層2例如是壓電陶瓷層。在此無需在所有壓電層2之間都設置電極層3。這些電極層3沿著堆垛方向S 交替地伸展到堆垛11的外側(cè)面上，并相對于其它外側(cè)面向后錯開。以此方式形成非活性的區(qū)域31a、31b，在這些非活性的區(qū)域中，在堆垛方向S上，不同極性的相鄰的電極層3并不搭疊。所示的堆垛11被燒結(jié)且具有接觸層fe、5b，這些接觸層也通過燒結(jié)與堆垛11連接。在步驟B)中將外電極6a鋪設在堆垛11外側(cè)面上的接觸層fe上。外電極6a是設有孔63的金屬絲網(wǎng)或金屬板。在步驟C)中將金屬材料41噴涂到外電極6a的部分頂面和接觸層fe的部分外側(cè)面上。材料41在這種情況下以顆粒的形式存在。它以較高的速度射到接觸層如和外電極 6a上，從而在沖射(Aufprall)的情況下使得顆粒結(jié)合而形成附著層如。材料41也擠入到外電極6a的孔63中。在噴涂過程期間，材料41的溫度高于材料41的熔點溫度。但也可能的是，材料41 的溫度低于熔點溫度，材料41的顆粒在沖射到構件上的情況下由于所產(chǎn)生的摩擦熱而相互結(jié)合并與構件結(jié)合。在圖3D)中示出噴涂過程結(jié)束時的狀態(tài)。外電極6a被附著層如覆蓋，其中該附著層如也伸入到外電極的孔63中。在該孔63中，圍繞外電極6a，附著層與接觸層fe直接機械地接觸。在其它之處，附著層如與外電極6a的頂面直接接觸。為了也將外電極6b敷設到堆垛11的對面的外側(cè)面上，翻轉(zhuǎn)堆垛11，重新執(zhí)行該方法的步驟A)-C)。本發(fā)明并不因借助實施例進行的說明而局限于這些實施例，而是包括任何新的特征以及這些特征的任意組合。這特別是包含權利要求書中的特征的任意組合，即使該特征或者該組合本身未明確地在權利要求書或?qū)嵤├薪o出。
附圖標記列表
1壓電執(zhí)行器 11堆垛
2壓電層
3電極層 3 la、3 Ib非活性的區(qū)域 4、4a、4b附著層
41材料
5a,5b接觸層
6、6a、6b外電極
63孔
8引線
81焊料
權利要求
1.一種多層結(jié)構的壓電執(zhí)行器，具有-由壓電層(2 )與設置在壓電層之間的電極層(3 )構成的堆垛(11)；和 -至少一個外電極(6、6a、6b)，所述外電極利用通過熱噴涂敷設的附著層(4、4a、4b) 固定在堆垛(11)的外側(cè)面上。
2.如權利要求1所述的壓電執(zhí)行器，-其中附著層(4、4a、4b)至少部分地附著在外電極(6、6a、6b)的頂面和堆垛(11)的外側(cè)面上。
3.如權利要求1或2中任一項所述的壓電執(zhí)行器，-其中在堆垛(11)的外側(cè)面上布置有用于電接觸電極層(3)的接觸層(5ajb)； -其中外電極(6、6a、6b)被固定在所述接觸層(5a、5b)上。
4.如權利要求1至3中任一項所述的壓電執(zhí)行器， -其中附著層(4、4a、4b)可導電。
5.如權利要求4所述的壓電執(zhí)行器， -其中附著層(4、4a、4b)含有金屬。
6.如權利要求5所述的壓電執(zhí)行器， -其中所述金屬選自銅、銀、鋁和鋅。
7.如權利要求1至6中任一項所述的壓電執(zhí)行器，-其中外電極(6、6a、6b)是具有孔(63)的金屬絲網(wǎng)(61)。
8.如權利要求1至6中任一項所述的壓電執(zhí)行器， -其中外電極(6、6a、6b)是設有孔(63)的板。
9.如權利要求7或8中任一項所述的壓電執(zhí)行器， -其中孔(63)被附著層(4、4a、4b)填充。
10.如權利要求1至9中任一項所述的壓電執(zhí)行器，-其中外電極(6、6a、6b)含有至少一種選自鋼、銅和鐵-鎳合金的材料。
11.如權利要求1至10中任一項所述的壓電執(zhí)行器，-該壓電執(zhí)行器通過對堆垛(11)的全部層(2、3)的共同燒結(jié)而制成。
12.一種用于固定壓電執(zhí)行器的外電極的方法，包括如下步驟A)提供由壓電層(2)和布置于壓電層之間的電極層(3 )構成的堆垛(11)；B)在堆垛(11)的外側(cè)面上鋪設外電極(6、6a、6b)；C)將材料(41)熱噴涂到外電極(6、6a、6b)的部分頂面和堆垛(11)的部分外側(cè)面上。
13.如權利要求12所述的方法，-其中在步驟C)中在熱噴涂時采用的方法選自火焰噴涂、等離子噴涂、冷氣噴涂和電弧噴涂。
14.如權利要求12至13中任一項所述的方法，-其中堆垛(11)的溫度在步驟C)中在熱噴涂期間低于材料(41)的熔點溫度。
15.如權利要求14所述的方法，-其中堆垛(11)的溫度小于200°c。
全文摘要
提出一種多層結(jié)構的壓電執(zhí)行器(1)，其中外電極(6、6a、6b)利用通過熱噴涂敷設的附著層(4、4a、4b)被固定。外電極(6、6a、6b)是金屬絲網(wǎng)。還提出一種用于固定壓電執(zhí)行器(1)的外電極(6、6a、6b)的方法。
文檔編號H01L41/047GK102272960SQ200980154207
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權日2008年11月11日
發(fā)明者奧爾 C., 索米特施 D., 林納 F., 科格爾 G., 雷斯札特 J-T., 加勒 M., 加布 R. 申請人:埃普科斯股份有限公司