专利名称：压电执行元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种根据独立权利要求的类型特征的、用于例如操作一个机械部件如阀或类似部件的压电执行元件。
众所周知，在利用所谓压电效应的情况下，一种压电元件可部分地由具有合适的晶体结构的陶瓷材料来制成。当施加外部电压时产生压电元件的机械响应，该响应根据晶体结构及电压的施加区域表现为一个预定方向上的压力或拉力。这种压电执行元件尤其适于在快速且精确的开关过程中使用，例如在各种汽油或柴油喷射系统上用于内燃机的喷射器。
该压电执行元件的结构在此可用多个层作为所谓多层压电执行元件来实现，其中在其上面施加电压的内电极分别设置在这些层之间。为此，交替叠层的压电薄膜用印刷上的电极面制作成内电极。在此情况下，每个薄膜仅在一个连接侧具有其连接端子并在位于对面的侧上必须保留一个无内电极的设有绝缘间距的边缘。然后该两个侧在外部通过外电极相连接。这样以本身公知方式形成的压电执行元件有如一个具有多个板的电容器。
该多层压电执行元件以本身公知的方式用一种所谓薄膜浇铸方法由粉浆(Schlicker)来制造。由此产生的所谓湿(Gruen)薄膜在叠放后分层并接着被烧结。或是通过在烧结状态中的硬化处理或是通过在湿状态中即烧结前的造型得到所期望的几何形状。通常必须制造一种压电执行元件，它可受到保护以免潮湿及机械损伤。
在大多数内电极设计样式中，如前所述，在压电执行元件的一个面上交替的极性的每个内电极伸出到该表面上来。这里存在着危险，即由于绝缘不充分或在运输中、安装中或工作中的机械损伤形成电极层之间的短路。这虽然可通过所谓半埋设或全埋设的内电极设计样式来应付。在此情况下仅是一个极性的内电极或完全无内电极向外连接到面上，这些面不需要接触。但是该方法与精确的及由此昂贵的叠层和/或分隔方法相联系。
例如已由DE 199 28 180 A1公知了在外电极的接触部分之间的区域中，压电层向内空出一个预定的量，以形成一个槽。该槽在压电执行元件的表面加工时及在施加外电极时避免外电极之间的电极材料的擦抹并由此导致压电执行元件的击穿强度的明显改善。
本发明的优点开始部分所述的、例如可用于操作一个机械部件的压电执行元件构造有多个压电层及设置在它们之间的内电极的多层结构。还带有内电极与外电极的交替的接触部分，其中这些外电极之间的区域设置合适的绝缘。根据本发明以特别有利的方式在外电极之间的区域中，在压电执行元件的外表面上施加了由与压电层——例如粉浆——几乎相同的特性的、优选是陶瓷材料制成的绝缘层。以特别有利的方式甚至使用相同的粉浆，这种粉浆也用于压电层的薄膜浇铸。
外电极则可用简单的方式被施加在磨削掉绝缘材料的区域中。
根据一个有利的制造方法，在第一方法步骤中，在压电执行元件的湿状态中即在烧结前，在压电执行元件的外部完整地施加绝缘层。为此压电执行元件可所有面所有面地浸入粉浆中。如果必要，该压电执行元件也可仅在一些敏感的侧被施加层，在这些敏感的侧上，两种极性的内电极向外伸出。对此，一种合适的方法是所谓的浸渍液(Tauchflut)方法。
通过根据本发明可实现施加的层厚度被作成在典型的50-400μm的范围中。该层厚度在烧结后视烧结收缩而定减小10-30％。在此情况下一个确定的层厚度可通过粉浆的粘度和/或通过多重施加层来达到。在此，一个合适的层厚度可保证内电极到表面的足够层间距并由此防止内电极之间的放电。此外，层厚度应被这样地调整，以使得该层厚度在工作中不断裂。
如果制造绝缘的保护层使用与压电执行元件本身相同的陶瓷材料，则在接着的烧结时将形成压电层的薄膜叠层的陶瓷与外部的绝缘层之间的非常紧密的连接，其中该陶瓷层成为执行元件的一个有效的保护套。在通常使用的压电陶瓷中出现的封闭孔隙度的情况下，当层厚度足够大时，该陶瓷层甚至不使潮湿透过。在压电执行元件烧结后，使在其上接触外电极的区域及必要时端面露出。例如通过磨削或蚀刻来露出。
因此以有利的方式形成了一种抗短路的压电执行元件并保证压电执行元件在增高的湿度下使用。此外可改善压电执行元件的运输且对于绝缘不需要涂漆。
以下将借助附图来描述根据本发明的压电执行元件的一个实施例。附图表示图1根据现有技术的具有由压电陶瓷及电极作的层的多层结构的一个压电执行元件的截面图，图2根据本发明的具有保护层及露出的外电极的压电执行元件的一个视图，图3根据图2的压电执行元件的一个截面A-A，图4及图5在烧结后及在露出压电执行元件的外电极区域以前及以后的横截面图，图6及图7压电执行元件的内电极设计的俯视图。
实施例的说明图1中表示根据现有技术的一个压电执行元件1的原理图，该压电执行元件以公知的方式由具有适当晶体结构的石英材料的多个压电层或压电薄膜构成，由此通过接触面或外电极5及6在内电极3及4上施加一个外部电压的情况下利用所谓的压电效应产生压电执行元件1的机械响应。
图2表示根据本发明的压电执行元件10，其中在外电极之间的区域中，这里可看到一个外电极11，该压电执行元件具有优选由具有与压电层2几乎相同的特性的陶瓷材料作的绝缘层12及13，优选由为粉浆制作。
由图3可看出根据图2的一个截面A-A，由其中同样可看到内电极14、15及层12与13。
为了说明制造方法，在图4中表示出所谓的压电执行元件10的湿状态，即在烧结前的状态。在此，绝缘层12、13首先被完整地施加在压电执行元件10的外面。为此可完全地将压电执行元件10浸入作为绝缘层12及13的材料的粉浆中或固定的压电执行元件10可在一个槽中由粉浆浸润，其中粉浆的装料高度可被升高或提升。
图5表示压电执行元件10在烧结后的状态。在此，区域16及17通过磨削或蚀刻露出来并由此形成绝缘层12及13，在这些区域16及17上将接触外电极11。
图6及7中为内电极14(见图6)及内电极15(见图7)的内电极样式的俯视图。在此可以看出，内电极14在由图5中可看到的区域16中、内电极15在区域17中与相应的外电极触点接通。
权利要求
1.压电执行元件，具有多个压电层(2)及设置在它们之间的内电极(3，4；14，15)的多层结构；这些内电极(3，4；14，15)与外电极(5，6；11)交替的接触部分，其中这些外电极(5，6；11)之间的区域设置有绝缘(12，13)；其特征在于在这些外电极(5，6；11)之间的区域中，在该压电执行元件(1；10)的外表面上施加了由具有与所述压电层(2)几乎相同的特性的一种材料作的绝缘层(12，13)。
2.根据权利要求1的压电执行元件，其特征在于该绝缘层(12，13)包围着该压电执行元件(1；10)的棱边。
3.根据权利要求1或2的压电执行元件，其特征在于所述绝缘材料是粉浆。
4.根据以上权利要求之一的压电执行元件，其特征在于这些外电极(5，6；11)被施加在磨削掉绝缘材料的区域中。
5.用于制造根据以上权利要求之一的压电执行元件的方法，其特征在于在第一方法步骤中，在烧结前的压电执行元件(10)的湿状态中，在压电执行元件(10)的外部完整地施加绝缘层(12，13)；在压电执行元件(10)烧结后，使这些在其上将接触外电极(5，6；11)的区域露出来。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于该压电执行元件(10)所有面或两侧被浸入到仍是液态的绝缘层中或用该液态的绝缘层来浸润。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于在其上接触外电极(5，6；11)的区域(16，17)通过磨削露出。
8.根据权利要求5或6的方法，其特征在于在其上接触外电极(5，6；11)的区域(16，17)通过蚀刻被露出。
全文摘要
本发明提出一种用于例如操作一个机械部件的压电执行元件，其中具有多个压电层(2)及设置在它们之间的内电极(3，4；14，15)的多层结构。还设有这些内电极(3，4；14，15)与外电极(5，6；11)交替的接触部分，其中这些外电极(5，6)之间的区域设置有合适的绝缘(12，13)。在这些外电极(5，6；11)之间的区域中，在压电执行元件(1；10)的外表面上施加了由具有与所述压电层(2)几乎相同的特性的一种材料作的绝缘层(12，13)。
文档编号H01L41/273GK1717816SQ03825701
公开日2006年1月4日 申请日期2003年6月26日 优先权日2002年12月23日
发明者贝尔特拉姆·萨格 申请人:罗伯特·博世有限公司