压电器件的制作方法

本发明涉及一种压电器件，该压电器件例如用作为在喷射器系统中的所谓的压电执行器，该喷射器系统用于将燃料喷射到内燃机的燃烧室内。

背景技术：

这样的压电器件通常包括多个压电陶瓷材料层。用来形成材料层的所谓的压电陶瓷是如下材料，所述材料在施加电压时由于压电效应而膨胀。这种压电陶瓷形成上面所提到的压电执行器的基础，所述压电执行器在施加电压时通过纵向膨胀而实现几微米的运动路程。压电陶瓷具有电偶极矩，所述电偶极矩分别在互相确定界限的磁畴之内具有优先方向。在压电陶瓷的未被极化的基态下，各个磁畴的优先方向是不规则的，使得朝向外不存在压电陶瓷的宏观上的电极化。

为了使压电执行器的压电效果能使用，压电陶瓷通过电偶极矩的取向来极化，据此在所有磁畴中的电偶极矩没有偏离通过极化轴预先给定的优先方向或者仅仅小地偏离通过极化轴预先给定的优先方向。

各个上述的压电陶瓷材料层大多在两侧配备有金属电极层。如果给这些电极层施加电压，使得这些电极层活跃地传导电压，那么压电陶瓷材料层以晶格畸变做出反应，所述晶格畸变导致上面已经阐述的能使用的长度膨胀。不过，因为所述长度膨胀很小，所以例如以喷射器系统中的压电执行器形式的压电器件具有多个单个的压电陶瓷材料层和电极层，所述压电陶瓷材料层和电极层在堆中沿着纵轴交替相叠地来布置。

图5至图7示出了这种从现有技术公知的压电器件10，其具有多个压电陶瓷材料层12和多个电极层14，所述压电陶瓷材料层12和电极层14沿着纵轴16交替相叠地堆叠成堆18。

如尤其是在图6中可见，沿着纵轴16连续的电极层14总是交替地仅仅引导直至堆18的侧表面20。此外可见：堆18的顶部部分22和底部部分24与堆18的布置在它们之间的体积部分26相比不具有电极层14。

由此，在堆18的侧面的边缘区28以及在顶部部分22和在底部部分24中分别形成所谓的压电不活跃区，所述压电不活跃区在施加电压时（如在图7中所示出的那样）在其长度膨胀方面表现得不同于在所谓的活跃区中的压电陶瓷材料层12（在图6中以虚线示出）。

由于压电器件的活跃区和不活跃区的不同的长度膨胀，在压电器件中出现不期望的机械应力。

此外，对在内燃机中的排放和消耗的增多的要求导致对将燃料喷射到燃烧室中的更高的要求。例如，更高的燃料压力和多次喷射变得必要，所述多次喷射同时也需要在喷射器装置中的压电器件的更高的耐疲劳强度。

由于在压电器件中的所描述的机械应力，在压电器件之内可能产生有害的裂纹，这明显降低了压电器件的使用寿命。

到目前为止，为了解决该问题，也就是说尽可能多地降低机械应力，公知两种策略。

一方面，通过适当的材料选择和相应的过程参数，可以将压电陶瓷材料层在电极层上的粘附强度设定得小，使得通过所限定的裂纹而减轻机械应力，所述裂纹优选地在压电陶瓷材料层与紧邻的电极层之间延伸。

另一方面，通过适当的材料选择和相应的过程参数以及压电陶瓷材料层与电极层在压电器件中的确定的堆顺序，可以以规则的间隔引入减轻负荷的安全层。

两种已知的方案都追求使所形成的裂纹有针对性地并且有限定地传播的目标。然而，根本上减少裂纹的形成会是值得期望的。

技术实现要素：

本发明的任务是提出一种压电器件，其中明显减少了裂纹的分布范围。

该任务利用具有权利要求1的特征的压电器件来解决。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

压电器件具有多个压电陶瓷材料层和多个活跃电极层，其中所述压电陶瓷材料层和所述活跃电极层为了形成堆而沿着纵轴交替重叠地堆叠地来布置。沿着纵轴，堆具有：至少两个第一活跃区，在所述第一活跃区中布置有分别具有第一层厚度的至少两个压电陶瓷材料层；以及至少两个第二活跃区，在所述第二活跃区中布置有分别至少具有第二层厚度的至少两个压电陶瓷材料层，其中第二层厚度沿着纵轴大于第一层厚度。第一活跃区和第二活跃区沿着纵轴交替重叠地堆叠地来布置。

因此，在第二活跃区中，在压电器件中引入具有比这在第一活跃区中的情况更大的层厚度的压电陶瓷材料层。在活跃区中的压电陶瓷材料层越来越厚的情况下，在施加电压时的电场小于在具有更小的层厚度的压电陶瓷材料层中的电场，如这在第一活跃区中的那种情况。结果是，在较厚的压电陶瓷材料层中的机械应力也小于在较薄的压电陶瓷材料层中的机械应力。在较小机械应力的情况下，可能进行破坏的裂纹在压电器件中明显更小地传播。由此，通过引入第二活跃区明显改善了压电器件的耐疲劳强度，所述第二活跃区具有拥有第二层厚度的压电陶瓷材料层，所述第二层厚度大于第一层厚度。

现在，如果压电器件被用作喷射器装置中的压电堆，那么压电堆可以在驱动时与新的并且要求更高的要求适配。所述适配不仅可以通过如到目前为止那样的适当的材料选择来实现，而且尤其可以通过在压电器件的体积部分中引入减轻负荷区来实现，其方式是相应的压电陶瓷材料层和电极层重叠地来堆叠。

优选地，在第一活跃区中仅仅布置有具有第一层厚度的压电陶瓷材料层。因此，第一活跃区基本上有助于压电器件的所得到的长度膨胀，因为这里在预先确定的长度上布置有比这在第二活跃区中的情况更多的电极层。由此，在第一活跃区中得到比在第二活跃区中明显更大的长度膨胀。

在有利的设计方案中，堆沿着纵轴具有顶部部分和底部部分以及布置在顶部部分与底部部分之间的体积部分，其中第二活跃区布置在体积部分中，并且其中顶部部分和底部部分分别由第一区形成。

第二活跃区的主要功能是减轻机械应力的负荷，以便避免或者至少大大减少在压电器件中的裂纹的传播。因此将这些第二活跃区优选地布置在体积部分中是有意义的，在那里裂纹形成的概率提高。

优选地，布置在体积部分中的第一活跃区具有至少三个压电陶瓷材料层，所述压电陶瓷材料层具有第一层厚度。

为了使压电器件的长度膨胀构建得特别大，有利的是，第一活跃区不仅布置在压电器件的顶部部分和底部部分中，而且布置在体积部分中。这里适用：越多压电陶瓷材料层直接重叠地来布置、也就是说仅仅通过电极层彼此隔离，就可以实现压电器件的越大的长度膨胀。因此，有利地，第一活跃区也被设置在压电器件的体积部分中并且于是在这种情况下具有至少三个压电陶瓷材料层。

根据压电器件的大小、所希望的长度膨胀以及布置在压电器件中的其它第一活跃区的数目，在堆的体积部分中的第一活跃区具有三到二十个之间的压电陶瓷材料层。

在有利的设计方案中，在第二活跃区中的至少一个第二活跃区中布置有至少一个具有第三层厚度的压电陶瓷材料层，其中第三层厚度沿着纵轴大于第二层厚度。这种具有第三层厚度的压电陶瓷材料层有助于对压电器件的还更强烈的减轻负荷并且因此有助于更强烈地降低裂纹形成的危险。

优选地，具有第三层厚度的压电陶瓷材料层沿着纵轴通过至少一个具有第二层厚度的压电陶瓷材料层与第一活跃区间隔开地来布置。因此，从压电陶瓷材料层的薄的层厚度缓慢过渡到厚的层厚度。这样，可以避免突然的过渡，所述突然的过渡就其而言有以下危险，即在压电器件中可能会构造机械应力。

优选地，在第二活跃区中的至少一个第二活跃区中布置有至少一个安全层，所述安全层具有沿着纵轴居中布置在安全层中的安全电极。安全层沿着纵轴的层厚度大于第一层厚度。有利地，安全层的层厚度可以对应于第二层厚度和/或第三层厚度。然而，安全层的层厚度也可以比第二层厚度或第三层厚度更厚。

安全层不是真正意义上的电极层，而是大多是金属层，所述金属层被构造为使得它们不能够实现电压传导。例如，这些金属层有针对性地在机械上被削弱，使得它们例如能够在运行时断裂并且因此阻止在压电器件中的所形成的裂纹。由于这种裂纹经过安全电极，该安全电极不再作为导电的，如这在其它电极层中的情况那样。

因此，安全层有助于压电器件的进一步的减轻负荷。

优选地，安全层在第二活跃区之一内与第一区域间隔开地来布置。

优选地，安全层沿着纵轴通过具有第二和/或第三层厚度的至少一个压电陶瓷材料层与第一活跃区间隔开地来布置。

在此，优选地，在安全层与沿着堆的纵轴布置在安全层之上的第一活跃区之间以及与在安全层之下的沿着纵轴与安全层间隔开的第一活跃区的间隔是对称的。因此，可以实现压电器件的均匀的减轻负荷。

在有利的设计方案中，堆平行于纵轴地具有第一侧表面和第二侧表面，所述第一侧表面和第二侧表面对置，其中沿着纵轴连续的活跃电极交替地引导直至第一侧表面和直至第二侧表面。引导直至第一侧表面的活跃电极与第二侧表面间隔开，并且引导直至第二侧表面的活跃电极与第一侧表面间隔开。通过这种布置可能的是，每隔一个电极被接触，更确切地说使得接触电位与紧邻的电极不同，所述紧邻的电极加载有另一接触电位。由于彼此相邻的电极层的不同的接触，可以产生对于压电器件的长度膨胀所需的电位落差。

优选地，在第一侧表面上并且在第二侧表面上分别施加有外部接触，所述外部接触基本上覆盖了堆沿着纵轴的整个长度。这意味着：不仅第一活跃区而且第二活跃区整体上都属于压电器件的整体活跃区。附加地施加到压电器件上的顶部板和底部板（所述顶部板和底部板通常不具有电极层并且仅仅用于与压电执行器的其它元件的绝缘）形成所谓的不活跃区并且大多不具有外部接触。

为了可以提供对压电器件的特别好的减轻负荷，安全电极引导直至第一侧表面并且引导直至第二侧表面。

附图说明

本发明的有利的设计方案随后依据附图详细予以阐述。其中：

图1示出了按照第一实施方式的压电器件的纵剖面图；

图2示出了按照第二实施方式的压电器件的纵剖面图；

图3示出了按照第三实施方式的压电器件的纵剖面图；

图4示出了按照第四实施方式的压电器件的纵剖面图；

图5示出了按照现有技术的压电器件的纵剖面图；

图6示出了按照现有技术的压电器件的纵剖面图；以及

图7示出了按照现有技术的压电器件的纵剖面图。

具体实施方式

图1示出了按照第一实施方式的压电器件10的纵剖面图。压电器件10具有多个压电陶瓷材料层12和多个电极层14，所述压电陶瓷材料层12和电极层14沿着纵轴16交替重叠地来堆叠，并且因此形成堆18。堆18平行于纵轴16地具有第一侧表面30和第二侧表面32，所述第一侧表面30和第二侧表面32对置。沿着纵轴连续的电极层14交替地引导直至第一侧表面30和引导直至第二侧表面32。在分别对置的侧面上，所述电极层与相应的侧表面30、32间隔开地布置。在侧表面30、32上，堆18分别具有外部接触34，通过所述外部接触可以给分别接触的电极层14加载电压。外部接触在侧表面30、32上基本上沿着纵轴16在压电器件10的整个长度上延伸。因此，在图1中示出的堆18整体地形成压电执行器的活跃区。

堆18沿着纵轴16分成多个活跃区，即分成第一活跃区36和第二活跃区38，所述活跃区沿着纵轴16交替重叠地堆叠地来布置。在第一活跃区36中，压电陶瓷材料层12全部具有第一层厚度d1。在第二活跃区38中，压电陶瓷材料层12分别具有第二层厚度d2，其中第二层厚度d2大于第一层厚度d1。

堆18具有多个第一活跃区36并且也具有多个第二活跃区38。在此，第一活跃区36一方面形成堆18的顶部部分22和底部部分24，不过第一活跃区也布置在堆18的布置在顶部部分22与底部部分24之间的体积部分26中。而第二活跃区38只处在体积部分26中。

由于存在于压电陶瓷材料层12中的第二活跃区38中的更大的第二层厚度d2，在施加电压时那里的电场小于在第一活跃区36中的压电陶瓷材料层12中的电场。由此在那里形成比在第一活跃区36中明显更小的机械应力，并且可能进行破坏的裂纹可以明显更小地传播。因此，第二活跃区38针对压电器件10基本上作为减轻负荷区来起作用，而良好的长度膨胀的功能基本上被分配给第一活跃区36。为了实现压电器件10的特别良好的长度膨胀，布置在体积部分26中的第一活跃区36分别具有五个压电陶瓷材料层12，而被看作减轻负荷区的第二活跃区38仅仅分别具有两个压电陶瓷材料层12。

图2示出了按照第二实施方式的压电器件10的纵剖面图。与第一实施方式的区别在于：在第二活跃区38中布置有以下压电陶瓷材料层12，所述压电陶瓷材料层具有第三层厚度d3，所述第三层厚度沿着纵轴16大于第二层厚度d2。由此，在压电器件10中的减轻负荷效果还更加被加强，因为在压电器件10中存在还更厚的压电陶瓷材料层12，并且因此还可以更强烈地抑制不期望的裂纹的传播。为了避免由于具有明显不同的层厚度的压电陶瓷材料层12的不同的膨胀引起的应力，具有第三层厚度d3的压电陶瓷材料层12分别通过至少一个具有第二层厚度d2的压电陶瓷材料层12与第一活跃区36间隔开。

图3示出了按照第三实施方式的压电器件10的纵剖面图。与第一实施方式的区别在于：除了具有第二层厚度d2的压电陶瓷材料层12之外，在第二活跃区38中分别布置有安全层40，所述安全层具有安全电极42。在此，安全电极42从堆18的第一侧表面30延伸到堆18的第二侧表面32。在此，安全电极42分别被构造为使得在压电器件10的机械应力的情况下在所述安全电极中有针对性地产生裂纹，所述裂纹于是在安全电极42中停止并且因此不再继续在压电器件10中传播。

沿着堆18的纵轴16看，安全电极42居中布置在安全层40中，并且安全层40的层厚度大于第一活跃区36中的第一层厚度d1。因此，安全层40同样形成减轻负荷区，在所述减轻负荷区中，一方面由于厚的层厚度通常可以减少机械应力的出现，并且另一方面由于安全电极42的存在而能够截住仍然形成的裂纹。安全层40布置在第二活跃区38中，使得所述安全性与分别在上面以及在下面接着的第一活跃区36间隔开地来布置，更确切地说通过在相应的第一活跃区36与安全层40之间分别布置有具有第二层厚度d2的压电陶瓷材料层12来与分别在上面以及在下面接着的第一活跃区36间隔开地来布置。

在堆18的在图4中示出的第四实施方式中，可以附加地在安全层40与第一活跃区36之间还布置有具有第三层厚度d3的压电陶瓷材料层12，以便因此更连续地构建从第一活跃区36到安全层40的过渡。按照图3和图4的具有第二层厚度d2或第三层厚度d3的压电陶瓷材料层12分别沿着纵轴16布置在安全层40旁边，使得安全层40与在上面的第一活跃区36和在下面的第一活跃区36对称地间隔开。

图5至图7示出了按照现有技术的压电器件10的纵剖面图，所述压电器件之前已经予以描述。

第二活跃区38的布置和数目可以根据所希望的对压电器件10的要求来适配。相同的情况适用于具有第二层厚度d2和/或具有第三层厚度d3的压电陶瓷材料层12在第二活跃区38之内的布置。也可以根据需求来设置或者不设置这些压电陶瓷材料层。同样，可选地，可以在第二活跃区38之内设置或者不设置安全层40，并且安全层40可以根据要求与相邻的第一活跃区36更远地或不那么远地间隔开。

整体上，在具有第二层厚度d2或第三层厚度d3的压电陶瓷材料层12中的机械应力相比于布置在第一活跃区36中的具有第一层厚度d1的压电陶瓷材料层12减小。由此，可能进行破坏的裂纹在压电器件中通常更少地传播。这导致压电器件10的耐疲劳强度明显被改善。