专利名称：具有增强行程能力的压电执行元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电执行元件，其在施加电压时根据所述电压而显示确定 的膨胀性能。
背景技术：
压电执行元件应用在不同的技术领域。例如以多层结构的方式制造所述压 电执行元件。这种多层压电执行元件被用于控制内燃机中的喷射阀、定位台或 被用在精密设备技术中，以便仅举出一些例子。
US 6， 274， 967公开了一种多层结构的压电执行元件，其配备有用于将力 引入压电层中的预应力装置。借助预应力装置，向压电层沿着压电执行元件的 堆叠方向施加单轴压应力。
WO 2004/015789 A2公开了一种具有至少一个堆叠状压电元件的压电执行 元件。被电极包围的压电元件如此被保持在预应力驢中，使得将力引入压电 层的部分容积中。被引入压电层的机械预应力与在压电层中起作用的电场相结 合来产生与常规压电执行元件构造相比增强的压电执行元件膨胀。尽管压电执 行元件的这种膨胀性能或行程能力，但不同的技术领域(例如微机械学)要求 进一步的行程增大或压电执行元件的改善的膨胀性能。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种相比于现有技术具有增强的行程性能 的压电执行元件。
上述目的通过—种根据独立权禾腰求1所述的压电执行元件和一种根据独 立权利要求6所述的用于制造所述压电执行元件的方法而实现。
按照本发明的压电执行元件具有以下特征具有至少一个拱起的至少一个 压电层，所述拱起布置在用于在压电层中产生电场的两个相互面对的电极层之 间；预应力装置，借助所述预应力装置可以通过所述至少一拱起调节所述压电 层中的机械张力，因此，当在加载预应力的压电层中产生电场时所述机械张力促进述压电执行元件的膨胀性能。
根据本发明，通过利用特定结构化或轮廓化的压电层的变形特性来实现压 电执行元件的行程增大。为此，与多层执行元件中的平整压电层相比，压电层 配备有至少一个拱起。在压电层极化之后，借助预应力装置通过所述至少一拱 起在机械上向所述压电层加载预应力。如果被极化的且在机械上被加载预应力 的压电层现在被加载电场，贝赃压电层内压电的和铁电的膨胀部分重叠，这将 造成压电层变形以及相比于现有技术的公知执行元件造成压电执行元件的fi^呈 增大。
根据一种实施形式，压电执行元件的压电层具有多个以规则和/或不规则的 方式布置的拱起。此外优选的是，压电执行元件的压电层具有多个以相同禾口/或 不同方式成形的拱起。
根据拱起的微、数量和布置，不同程度地增强压电执行元件的行程能力。 例如将规律布置中的截球形或类似截锥形拱起压印至,电层中。同样 的是: 把在压电层的整个宽度上延伸的正弦波形压印到压电层中，以便禾,这种周期 性结构来e爐压电执行元件的衍呈能力。压电层于是具有类似于波纹板的开沐。
本发明还公开了一种用于制造压电执行元件的方法，所述方法具有如下步 骤在载体薄膜上对压电材料薄膜进行浇铸和干燥，将所述压电材料薄膜设置 在具有至少一种不平整物的表面上，以便将至少一拱起压印到所述薄膜中，在 具有至少一种不平整物的表面上烧结所述薄膜，并且将电极施加在所述薄膜的 相互面对的侧上，以及将所述薄膜装入到预应力装置中。
首先依据已知方法制造压电绿色薄膜，然后将由压电材料制成的这种薄膜 置于一个表面上，所述表面的不平整物将确定的变形压印至U所述薄膜中。所述 不平整物例如由球、截锥或在所述表面的整个宽度上延伸的棒或凸起构成。根 据压电薄膜中拱起的所预期的形状和布置，不平整物在表面上以不规律和/或规 律的模式布置。此外，的是，在表面上使用多个以相同和减不同方式成形的 不平纖。
在借助附图所示的以下说明书以及在所附的权利要求书中来描述本发明的 雌实施形式和扩展方案，其中
图1示出具有不平整物的烧结底座表面的示意图，其中在所述表面上设置 有由压电材料制成的薄膜；
图2示出在机械予M力下的压电执行元件的优选实施形式；以及
图3示出在电场起作用的情况下本发明压电执行元件的优选实施形式。
具体实施例方式
本发明的压电执执行元件1具有至少一个压电层10，其中至少一个拱起20
被压印到所述压电层中(参见图2和图3)。为了育^)多向压电层10施加电压，在 其相对的侧上布置用于在压电层10中产生电场的电极层30。借助预应力装置 40将由于拱起20而不平整或结构化的压电层10在机械上夹紧。预应力装置40 向压电层10的至少一个拱起20施加压力，由此获得压电层10的张力。若电场 在压电层10中产生膨胀，则机械张力割牛下的压电的和铁电的膨胀部分的重叠 导致压电执行元件1相比于现有技术的压电执行元件的增强的纟，呈能力。
压电执行元件1按照以下i，步骤来制造。首先根据己知方法通过在载体 薄膜上浇铸和干燥来制造由压电材料制成的薄膜或绿色薄膜。这种由压电材料 制成的薄膜在制igil程结束后构成了压电层10。
由压电材料制成的薄膜接着被放置在具有至少一个不平整物60的表面50 上(参见图1)。表面50优选池由烧结底座构成，在此烧结底座上有针对性地布 置至少一个或多个不平整60。 通过重力将由压电材料制成的薄膜压至表面50 和在那里所布置的不平整物 60上，使得不平M分别将拱起20压印至U薄膜中。
根据不同的实施形式，不平整物60以规律和/或不规律的方式布置在表面 50上。此外，伏选的是，不平整 60具有相同或不同的形状。这些不平整 60例如具有球、半球、椎体、截椎、有角的隆起、近似于凸起部的隆起或类似 于手指状的伸长隆起的形状。如上文所述，不平整物60将可互补或类似所形成 的或布置的拱起20压印到薄膜中。由压电材料制成的薄膜通过这种方式具有以 规律和/或不规律方式所布置的拱起20，所述拱起20为此可以具有相同和/或不 同的形状。
基于压电层10的结构化的多样性，优选的是，利用杆状不平Ml 60在表 面50上的规律布置。这些杆状不平整物60平整地且在表面50的整个宽度上以 彼此相同的间隔延伸。如果表面50和不平整物60的这种结构压印到压电层10 中，则优选地在压电层10内形成周期性波状轮廓。这在图3中示意性示出。
当将确定的结构引入由压电材料制成的薄膜中之后，所述薄膜被烧结在具 有至少一个不平整物60的表面50上。在烧结之后，使用已知方法在压电层的大面积的相对两侧上施加电极层30。所述电极层30现在用于对压电层10进行 极化。在电极层30上接通电压，并且由此在压电层10中产生电场。
在极化之后，结构化的压电层10被装入预应力装置40，以便在压电层10 中产生确定的预应力。预应力，40由布置在压电层10之上的第一板42和布 置在压电层10之下的第二板44组成(参见图2和图3)。通过相互移动两个板 42和44， iffil拱起20将机lte力导入压电层10。压电层10被预应力装置40 压紧。
借助上文所述的方法步骤来制造压电执行元件10，所述压电执行元件通过 利用特定结构化的压电层的变形特性来显示压电执行元件1的所预期的行程增 大。压电层1的结构化在于根据图1的一个或多个拱起20的压印，使得所述拱 起20在至少一侧上凸出压电层10的表面。
在如图3的压电执行元件l中，？页应力體40的机械予赃力导致部分地压 印可与盘形弹簧相比的拱起20。引入的机械预应力与压电层10中的弹性膨胀分 布处于平衡状态。在通过电极层30对压电层10施加电压后，产生附加的压电 的和铁电的膨胀部分。根据外部机械夹紧/予鹏力剝牛，在平衡状态下出mM少 一个拱起20或多个拱起20的与在多层执行元件的常规平整压电层情况下不同 的变形。由于膨胀状态与层拱起高度之间强烈的非线性关系，与在常规堆叠执 行元件中所利用的压电层厚度变化相比，每压电层10均可以实现明显更大的行 程变化。压电层10的有针对性引入的拱起20因此是转换机构，以便将由压电 的和/或铁电的效应所引起的在压电层10的膨胀状态中的变化转化为垂直于压 电层10的力和变形分量。
通过改变拱起20的m、大小、数量和布置以及通过堆叠多个结构化的层 10，可以制造具有广泛应用多样性的大行程压电执行元件l。通itt择预力或机 械预应力可以额外地调节所述压电执行元件1的4Tf呈和刚性。在相应高的机械 预应力下可能导致产生铁弹性变形部分(例如通过将铁电域折叠到层面中，也 就是说平行于预应力装置的板42、 44)，所述铁弹性变形部分可以通过电控制装 置而重新被切换回。由此可以附加地增大膨胀幅度，并从而增大压电执行元件l 的撒
优点因而在于，有针对性地每压电、铁电和铁弹性效应与层拱起的变形特 性相组合，以便制造与传统堆叠执行元件相比明显地具有更大行程的压电执行元件l。 ffiil将压电陶瓷多层技术、微结构化和微机械学相组合，可以利用上文 所述的方法实测氐压运行的成本低的、新的大量应用、例如在生物和医药技术 (微泵、微阀)、工业电子技术(气动阀)、微执行元件和微电动机领域内。
权利要求
1.压电执行元件(1)，其包括以下特征a.具有至少一个拱起(20)的至少一个压电层(10)，所述拱起(20)布置在用于在压电层(10)中产生电场的相互面对的两个电极层(30)之间；以及b.预应力装置(40)，借助所述预应力装置(40)可以通过所述至少一拱起(20)调节所述压电层(10)的机械张力，使得当在加载预应力的压电层(10)中产生电场时所述机械张力促进所述压电执行元件(1)的膨胀性能。
2. 根据权利要求1所述的压电执行元件(1)，所述压电执行元件(1)的压 电层(10)具有多个以规律和/或不规律方式布置的拱起(20)。
3. 根据权利要求1或2所述的压电执行元件(1)，所述压电执行元件(1) 具有多个以相同和/或不同方式成形的拱起(20)。
4. 根据权利要求1所述的压电执行元件(1)，所述压电执行元件(1)的压 电层(10)具有周期性波纹状轮廓。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的压电执行元件(1)，所述压电执行元 件(1)的预应力装置(40)具有第一板(42)和第二板(44)，其中所述压电 层(10)的至少一拱起(20)可以借助所述板(42， 44)被压缩。
6. 用于制造压电执行元件(1)的方法，所述方法包括以下步骤a. 在载体薄膜J^t由压电材料制成的薄膜进行浇铸和干燥；b. 将由压电材料制成的薄膜设置在具有至少一不平整物(60)的表面(50) 上，以便将至少一拱起(20)压印到所述薄膜中；c. 在具有至少一不平整物(60)的表面(50)上烧结所述薄膜；以及d. 将电极施加在所述薄膜的相互面对的侧上，并将所述薄膜装入予赃力装 置中。
7. 根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括将多个不平整物(60) 以不规律禾口/l^见律的模式布置在所述表面(50)上。
8. 根据权利要求6或7所述的方法，所述方法还包括将多个以相同和/或 不同方式成形的不平整物(60)布置在所述表面(50)上。
全文摘要
本发明提供一种具有基于在机械预应力和电场的同时影响下对特定结构化压电陶瓷层的变形特性的利用而增强的行程能力的压电执行元件(1)。此外，本发明提供一种用于制造所述压电执行元件(1)的方法。压电执行元件适用于低压运行，例如在生物和医药技术(微泵、微阀)、工业电子技术(气动阀)、微执行元件和微电动机的领域内来实现。
文档编号H01L41/43GK101203967SQ200680022337
公开日2008年6月18日 申请日期2006年6月7日 优先权日2005年6月22日
发明者A·沃尔夫, S·拉姆彭谢尔夫 申请人:西门子公司