专利名称：压电执行器及其制造方法
压电执行器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及优选单片多层结构的压电执行器以及一种制造所述压电执行器 的方法。
压电执行器通常由多个以堆叠方式布置的压电元件构成。所述压电元件中 的每一个又由两面均配备有金属电极的压电陶瓷层构成。如果将电压施加于这
些电极，压电陶瓷层以晶格畸变(Gitteiveizehrung)来反应，所述晶格畸变沿着 主轴导致可利用的纵向膨胀。由于这种纵向膨胀沿着主轴又小于层厚度的千分 之二，因此必须提供活性压电陶瓷的相应较大的层厚用以获得所期望的绝对纵 向膨胀。但是，随着单个压电元件的压电陶瓷层的层厚增大，用于使压电元件 动作所需要的电压也升高。为了使其保持在可处理的极限之内，压电单元件的 厚度通常在20和200 ym之间。因此，对于所期望的纵向膨胀，多层结构的 压电执行器必须具有相应数量的单元件或单层。
已知的多层结构的压电执行器因ltbl常由总共大量单层构成。为了制3t^f 述压电执行器，将压电陶瓷层与电极材料交替地布置成堆叠，并且共同层压和 烧结成单片复合结构。例如，根据欧洲专利文献EP 0 894 340 Bl公知这种方 法。在此将电极材料印在陶瓷绿膜(Gnienfolie)上。根据包括印刷区和非印刷 自由区的图案进行印刷。以交替方式堆叠电极层，使得在第一电极层中的每一 个非印刷区上方，在下一相邻的第二电极层中布置印有电极材料的面。M31交 替布置，每一第二电极层在其电极图案方面是叠合的。在位于中间的同样相互 叠合的电极层内，非印刷自由区以对角线方式偏置。
但事实证明，根据现有技术的这种方案存在缺点即在烧结时发生内部压 力和体积平衡，其中例如电极图案中的非印刷自由区被相邻陶瓷层的陶瓷材料 完全填满。在电极层电接触时，所有陶瓷层经鄉胀，包含非印刷区的角区除 外，因为在这两^^对面的角区中不能粒有效的电场纟驢。因此，与其余陶 瓷区不同，这些角区在激励时不经受膨胀，由此在活性区与非活性区之间产生 机械应力。这些机械应力导致形成可能从非活性角区通到活性陶瓷区中的裂
纹。此^S^:也有可能沿纵向失控地扩散穿过陶瓷，并且大大縮短压电执行器的舰寿命。
本申请人知道根据陶瓷层与电极层的预先确定的交替序列将卸载层
(Entlastungsschicht)集成到堆叠中，用以形成预定的分离区来减小机鹏力。
但事实证明这种方案有缺点，即卸载层的弓l入与额外的制造耗费和额外的 制造成本相联系。此外，这些卸载层不利地增大堆叠结构。
此外，本申请人也知道用以减小压电执行器内的机械应力的其它措施，但 这些措施通常并非阻ih^纹形成，而是仅仅阻止在压电执行器的纵向上形成裂 纹，由此压电执行器的功能在很^f號上得以保持。尽管如此在这种措施中此 外存在由于剩余的横向裂纹而弓胞的失，纹扩散的风险，由此可能降低压电 执行器的功率或者甚至毁坏压电执行器。
因此本发明所基于的任务在于说明一种压电执行器以及这种压电执行器 的制造方法，其中尽管电极层内存在非活性区，但极^機纹被 >或最小化。
根据本发明，该任务Mil具有禾又利要求1所述特征的方法以及通过具有权 禾腰求7所述特征的压电执行器加以解决。
本发明所基于的构思在于用多个可拼合成堆叠的压电材料层制成压电执
行器，其中将具有相应空隙的电极层施加在多个压电材料层上，使得在堆叠中 形成压电材料层和电极层的交替序列，其中在堆叠中以交替方式设置具有第一 空隙区中的空隙的电丰及层和具有不同于第一空隙区的第二空隙区中的空隙的电
极层。此外，分别在第一和第二空隙中设置卸载材料，所述卸i^才料，堆叠
进行烧结之后具有电绝缘特性和不粘贴各个材料层的特性。
因此与已知的方案相比，本发明的优点在于电极层的所设置的自由区或 者空隙在烧结堆叠时不被陶瓷材料完全填满，而是由于卸载材料的不粘贴特性 在空隙的区域中在两个相继的陶瓷层之间形成机械分离部位或者卸载空隙。对 于具有高扩散能力的卸载材料在烧结期间扩散的情况，在相邻陶瓷层之间构造 作为空腔的分离部位。因此在该区域中在陶瓷层之间不出现相互粘贴，使得在 这些不活性区域内不会出现重要的机,力。即使存在的话，也不足以进一步
形成有害的裂纹。
此外，本发明还具有以下优点由于卸载才才料的电绝缘特性，在空隙的区 域内形成电绝缘区，所述电绝缘区以简单且成本低廉的方式保证压电执行器的 夕卜层金属化用于^^第二电极层的电'娜。
此外，不必引入新技术来制造本发明所述的压电执行器，也就是说，可以 iOT常用的和迄今已知的生产设备和生产工艺，其中进行轻微修改，也即仅在 空隙的区域中施加卸载材料。因此总之可以以简单且成本低廉的方式阻止或者 最小化陶瓷层中的有害裂纹。
其它从属权利要求的及参照附图的说明的主题均是本发明的有益扩展方案
和改进方案。
根据一种iMefca方案，分别将在烧结堆叠期间导电颗粒扩散能力低的含 有贵金属的金属化糊剂印刷在压电材料层上作为电极层。例如使用含有银钯的 糊剂，其中钯成分保证银保留在糊剂中，而银成分保证糊剂的良好导电性。
根据另一种 改进方案，将在烧结堆叠期间导电颗粒扩散能力非常高的 含有贵金属的糊齐卿刷在空隙中作为卸i^才料。例如{顿含银的糊剂，其中银 在烧结期间扩散到相邻的电极区中。
根据另一优选实施例，堆叠中的具有第一角区中的空隙的每个第二电极层 和具有域第一角区相对的第二角区中的空隙的每一个位于其间的电极层被构 造。通il&种方式能够如此保证成本低廉和简单的外部接触，使得在角区中沿 着压电执行器的旨纵向延伸来设置金属化，其中仅仅每个第二电极层被接触 并且因此被电激励。
根据另一tti^改进方案，具有至少两个沿纵向延伸的孔的压电执行器被构 造，其中在堆叠中以交替的序列在一个孔的区域内设置第一空隙区和在另一个 孔的区域内设置第二空隙区。例如，可以通过所述孔将各个电极层与电接触相 耦合，使得对于*孔又仅接触每个第二电极层。典型地、但并非必要地，两
个孔均具有mm范围内的较大直径，因为由于刚度太大，坚固的金属线并不能简 单地被焊上，而更可能使用具有多个细金属线的金属线(例如^f以于并顿ij)。 以下将根据示意性附图中所示的实施例对本发明进行详细解释。在此
图1示出根据本发明^t实施例的具有所施加的电极层的多个可^成堆 叠的陶瓷层的懒军亂
图2示出图i的根据本发明im实施例的具有在空隙所施加的卸载材料的
懒军图；以及
图3示出根据本发明im实施例的所装配的单片多层结构的压电执行器的 透视图。
只要没有相反说明，在附图中相同的附图标记表示相同的或者功能相同的 部件。
本发明压电执行器及其构造方法通常与所4顿的材料无关。例如，可以使
用任意的PZT (锆钛酸铅)陶瓷作为压电材料层。例如由这种材料拉伸或者浇 铸所谓的绿膜，戶万述绿膜在干燥后具有例如20至200 um的厚度。
在将绿膜千燥之后，给所述绿膜配备电极层，例如用适当的银钯糊齐卿刷。 糊齐l皿地含有在具有可印刷浓度的粘合剂中的傲钯合，粒。例如，除了有 机辅料之外，这种丝网印刷糊剂还具有细粒银粉和钯粉。糊剂中的银成分保证 电极层在烧结后良好的导电性，而钯成分则保证尽管银在烧结期间在所出现 的高温下扩散能力高，但所述银保留在所印刷的电极层中。在钯存在的情况下 在烧结期间扩散时，糊剂内所含的银实现在钯中的均匀浓度分布。钯的扩散能 力如此小，以致于可以对其忽略不计。
图1示出四个压电陶瓷层2的懒早图，所述压电陶瓷层在一侧分别印有例 如由，银钯糊齐断构成的电极层3。尽管在图1和2中仅以示例方式绘出 了四个陶瓷层，但对于技术人员而言显而易见，可以用相同方式将任意数量的 压电陶瓷层相互i^接在堆叠中。
从图1还可看出，根据图案(Muster)如此印刷陶瓷层2，使得在每一陶 瓷层上均设置所印刷的电极区3以及未印刷的自由空隙区4或4'。例如，对 于电极层3，在一侧将如此多的银钯糊齐卿在所分配的陶瓷层2上，使得在烧 结之后得到厚度为2 3 um的电极层3。
必要时对印有电极材料的压电陶瓷层2进行千燥，然后以适当方式上下堆 叠，其中形成压电陶瓷层2和电极层3的交替布置。
在电极层3的情况下同样交^地如此堆叠，使得在第一电极层中的每一空 隙4或4'上方，在下一相邻电极层中布置印有电极材料的面，其中所述每一 空隙对应于未印刷的电极区4，如在图1中可以看出。在图1中所示的实施
例中，空隙4或4'交替地分别i^a在斜对面的角区内。当然对于技术人员而
言显而易见，也可以在陶瓷层上以交替的序列将空隙4或4'设置于任意其它部 位上。
舰交替布置，^^第二层在其电极图案方面均以所體的空隙4叠合。 在位于其间同样也相互叠合的层中将空隙4'相对于空隙4偏置地布置。
以这种方式由如此多个相互叠置的单层形成堆叠，使得得到所需的压电执 行器总高度。
接着根据本发明的一种实施例，除了每次银钯糊剂印刷之外，还执行附加
的印刷过程，其中将银糊剂5印刷在空隙4或4'中，如在图2中示意性所示。 因此仅仅纟合空隙区的空隙4或4'印上银糊剂5，而其它生产工艺则保持不变。 因此每一层均由印有银钯糊剂的电极区3和印有银糊剂5的空隙区构成。
在适当地对齐并且堆叠各个层之后，例如对于预先确定的时间间隔和在预 先确定的(例如可以直至1000。C以上的)烧结^J^时在氧化大气中在轻微压 力下进行烧结。由于钯的存在，银钯糊剂中的银在烧结期间Mil扩散实现在钯 中的均匀浓度分布。因此银保留在具有钯成分的电极区3中。
与此不同的是，空隙4或4'内的银糊剂5中的银由于其高扩散能力几乎 完全从空隙区4或4'扩散出来，并且扩散iSA相邻的银钯电极区3中。由于 银从空隙区4或4'扩散到相邻电极层3之中，在空隙4或4'的区域内形成 卸载空隙6或6'，如在图3中通过虚线示意性所示。
由于导电,粒的扩散，包括空隙4或4'的空隙区具有电绝缘或者不导 电特性，其中对于随后的夕階触仅仅每个第二层需要该特性。由此能^il电执 行器的经证实的和常用的接触技术保持不变。
itWh由于在空隙区4或4'内所产生的卸载空隙6和6'，两个相邻电极 层在所述空隙区4或4'中相互间并不粘贴(haften)，因为根据本实施例，在两 ^!斗对面的角区之一中按照每隔一层由于扩散出的银糊齐U形成分离部位。因此 在压电执行器1极化时，在非活性空隙区4或4'以及具有电极层3的压电陶 瓷活性区域之间不形成重要的机te力。.
图3示出所制成的压电执行器1的透视图，所腿电执行器l为了电撤虫 在彼此相对的角处条形地与外部金属化8接触。由于从单层到单层交替的电 极结构，这种外部接触8仅分另倒达每个第二电极层，而固定于相对边上的外 部接触8则接触分别位于其间的电极层。因此，位于电极层之间的压电材料 层的电并联是可能的，所述电并联能够实mffi电执行器1的最佳运行。
本发明据此提出一种压电执行器及其制造方法，其中基于在烧结期间所获 得的位于空隙区4或4'内的分离部位或者卸载空隙而实现不导电区域以及机 械卸载区域用以阻止机械应力。Mil本发明方制呆证不必引入新的技术，并且
不需要新的生产设备。此外，由于使用银糊剂和银钯糊剂，不将可能引起未知 效应的新化合物或者元素供应给压电执行器的化学系统。另外，银比钯成本低， 使得附加材料成本微不足道。与在用来避，纹的迄今措施中的附加生产步骤 相比，可以简单且成本低地实现用于印刷银糊剂的丝网印刷过程。
尽管以上己根据优选的实施例对本发明进行了阐述，但本发明并不局限于 此，而是可以多种方式修改。
例如，可以iOT在堆叠烧结期间导电颗粒扩散能力小的含贵金属的另一金 属糊剂来替代银钯糊剂。此外，也可以使用含有贵金属的另一糊剂或在堆fi^ 结期间导电颗粒扩散能加夂常高的另一适当的卸散才料来替代作为卸载材料的 银糊剂。通常，在空隙区内保证不导电区域并且阻止在相邻层之间粘贴用以形 成卸载空隙或卸载区的每一种卸载材料均适用。
此外，也可以在层表面之内而不是在斜对面的角区处设置空隙区，使得钻
孑L沿着压电执行器的纵向分别m各个空隙图案。因此可以有禾哋力Aii电执行 器的夕卜侧向内侧敷设接触。例如，将适当的接触材料置于至少两个孔之中，使 得仅仅每个第二电极层又电接触，且位于其间的层由于所设置的空隙区而不接 触。此外，由于卸载空隙，相邻层在这些空隙区内不相互粘贴。
权利要求
1.用于制造压电执行器(1)的方法，包括下列方法步骤-设置多个可拼合成堆叠的压电材料层(2)；-将分别具有空隙(4；4′)的电极层(3)施加在多个压电材料层(2)上，使得在堆叠内形成压电材料层(2)和电极层(3)的交替序列，其中在堆叠中以交替方式设置具有第一空隙区内的空隙(4)的电极层(3)和具有不同于第一空隙区的第二空隙区内的空隙(4′)的电极层(3)；并且-在第一和第二空隙(4；4′)中设置卸载材料(5)，所述卸载材料在烧结堆叠之后具有电绝缘特性和不粘贴各个材料层(2)的特性。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分另鹏在烧结堆叠时导电颗 粒扩散能力低的含有贵金属的金属化糊剂(3)、例如含有银钯的糊齐'仰刷在多 个压电材料层(2)上作为电极层。
3. 根据，t又利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，将在烧结堆叠时 导,粒扩散能力非常高的含有贵金属的糊剂(5)、例如含有银的糊剂印刷在 空隙(4;4')中作为卸载才才料。
4. 根据±^权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，使用陶瓷绿膜作 为压电材料层(2)。
5. 根据±^$1利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在堆叠中具有第 一角区中的空隙(4)的旨第二电极层(3)和具有与第一角区相对的第二角 区中的空隙(4')的^H殳置于其间的电极层(3)被构造。
6. 根据Ji^禾又利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，具有至少两个沿 纵向延伸的孔的压电执行器(1)被构造，其中在堆叠中以交替序列，一个孔 的区域内的第一空隙区的空隙(4)和另一个孔的区域内的第二空隙区(4')的 空隙(4')，其中所述 L分别可以与电接触相耦合。
7. 压电执行器(1)，具有多个可M成堆叠的压电材料层(2);并且具有电极层(3)，所述电极层分别如此被施加在多个压电材料层(2)上， 使得在堆叠中形成压电材料层(2)和电极层(3)的交替序列；其中在堆叠中以交^方式设置具有第一空隙区内的卸载空隙(6)的电极层 (3)和具有不同于第一空隙区的第二空隙区(4')内的卸载空隙(6')的电极层 (3)。
8. 根据权利要求7所述的压电执行器(1)，其特征在于，电极层(3)由 在烧结堆叠时导电颗粒扩散能力低的含有贵金属的金属糊剂、例如由含有银钯 的糊齐购成。
9. 根据禾又利要求7或8中至少一项所述的压电执行器，其特征在于，多个 压电材料层(2)被构成为陶^^录膜。
10. 根据丰又利要求7 9中至少一项所述的压电执行器，其特征在于，堆叠 中的旨第二电极层(3)具有第一角区内的卸载空隙(6)，并且*设置于 其间的电极层(3)具有与第一角区相对的第二角区内的卸载空隙(6')。
11. 根据禾又利要求7 10中至少一项所述的压电执行器，其特征在于，压 电执行器(1)具有至少两个沿纵向延伸的孔，其中在堆叠中以交替序列设置一 个孔的区域内的卸载空隙(6)禾n另一个孔的区域内的卸载空隙(6')，其中所 述孔可以与电接触耦合。
全文摘要
本发明涉及一种压电执行器以及一种用于制造此类压电执行器的方法，所述方法包括以下方法步骤设置多个可拼合成堆叠的压电材料层(2)；分别将具有空隙(4，4′)的电极层(3)施加在多个压电材料层上，使得在堆叠中形成压电材料层和电极层的交替序列，其中在堆叠中以交替方式设置具有第一空隙区内的空隙(4)的电极层和具有不同于第一空隙区的第二空隙区内的空隙(4′)的电极层；并且在第一和第二空隙中设置卸载材料(5)，所述卸载材料在对堆叠进行烧结之后具有电绝缘特性和不粘贴各个材料层的特性。
文档编号H01L41/273GK101356661SQ200680039823
公开日2009年1月28日 申请日期2006年10月20日 优先权日2005年10月26日
发明者M·施罗德, M·韦格尔 申请人:欧陆汽车有限责任公司