專(zhuān)利名稱：壓電執(zhí)行元件的制作方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的類(lèi)型特征的壓電執(zhí)行元件和與該壓電執(zhí)行元件機(jī)械聯(lián)接的傳感器，該壓電執(zhí)行元件例如用于操作機(jī)械部件。
普遍公知，利用所謂壓電效應(yīng)可由具有適當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成壓電元件。當(dāng)將外部電壓施加在該壓電的和電致伸縮的陶瓷上時(shí)產(chǎn)生該壓電元件的機(jī)械響應(yīng)，根據(jù)晶體的結(jié)構(gòu)及電壓的作用范圍，該響應(yīng)表現(xiàn)為一個(gè)預(yù)定方向上的壓力或拉力。
基于其極快的及可精確調(diào)節(jié)的偏移效應(yīng)，這種壓電執(zhí)行元件可用來(lái)制造調(diào)節(jié)器，例如設(shè)置在機(jī)動(dòng)車(chē)上的燃料噴射系統(tǒng)中用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)閥。在此情況下該壓電執(zhí)行元件的受電壓或電荷的控制的偏移用來(lái)定位一個(gè)控制閥，該控制閥又調(diào)節(jié)一個(gè)噴嘴針的行程。
因?yàn)橛糜诓僮鲏弘妶?zhí)行元件所需的電場(chǎng)強(qiáng)度在若干kV/mm的范圍中并且為了控制通常需要中等電壓，因此該壓電執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)以多層相互堆疊的金屬化的壓電陶瓷形成所謂的多層執(zhí)行元件。為此在這些層之間設(shè)有內(nèi)電極，這些內(nèi)電極例如用壓力方法施加，及設(shè)有外電極，通過(guò)這些外電極施加電壓。用于制造這些層的典型方法為薄膜澆鑄技術(shù)。在此，為了制造內(nèi)電極各個(gè)層被金屬化及彼此堆疊，其中，在兩個(gè)層之間通過(guò)不同極性的內(nèi)電極產(chǎn)生壓電效應(yīng)。
在此情況下，真正的壓電元件可或者如上所述有源地作為壓電執(zhí)行元件被使用，或者無(wú)源地作為傳感器被使用，在該傳感器中，可量取當(dāng)壓電元件通過(guò)機(jī)械作用變形時(shí)所產(chǎn)生的電壓。
這樣的結(jié)構(gòu)例如被描述在DE 199 60 971 A1中。在此，可量取的電壓信號(hào)作為壓力傳感器正比于作用的力或者作為行程傳感器正比于作用的變形。為了可調(diào)節(jié)地調(diào)整一個(gè)壓電執(zhí)行元件的長(zhǎng)度變化，必需感測(cè)該長(zhǎng)度變化，因此至今必需使用一個(gè)單獨(dú)的部件作為傳感器元件。
為此可以在壓電執(zhí)行元件上粘貼應(yīng)變片，感應(yīng)位移記錄器，或如以上現(xiàn)有技術(shù)中所述，使用另一個(gè)壓電傳感器。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如上所述，開(kāi)始部分所述的壓電執(zhí)行元件通過(guò)壓電層和在壓電有源區(qū)域中具有設(shè)置在這些層之間的內(nèi)電極的多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成并且設(shè)置有從一層到另一層變換的內(nèi)電極觸點(diǎn)接觸，用于施加電壓。為了構(gòu)成傳感器部分，設(shè)有具有內(nèi)電極的其它壓電層，在其上可通過(guò)另外的外電極獲取與對(duì)壓電執(zhí)行元件的操作成正比的電的傳感器信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明，用于執(zhí)行元件部分的壓電層及用于至少一個(gè)傳感器部分的壓電層有利地這樣集成在一個(gè)部件中，使得用于傳感器部分的各個(gè)壓電層以預(yù)給定的距離被設(shè)置在用于執(zhí)行元件部分的壓電層之間。
因此以有利的方式可達(dá)到使作為壓電執(zhí)行元件的有源壓電元件和作為傳感器的無(wú)源壓電元件被組合在一個(gè)部件中。兩個(gè)功能，即產(chǎn)生位移和/或力和測(cè)量位移和/或力，可相互獨(dú)立地同時(shí)被使用。在此情況下有利的首先是，不需要其它附加部件作為傳感器，由此主要得到成本及結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)。
此外，該集成解決方案簡(jiǎn)化了壓電執(zhí)行元件的組裝，因?yàn)閭鞲衅骱蛨?zhí)行元件為同一部件的組成部分，由此可取消涉及問(wèn)題的專(zhuān)門(mén)裝配及可能為此所需的其它部件，例如在測(cè)力計(jì)情況下的磨削配合。
根據(jù)本發(fā)明的這種執(zhí)行元件-傳感器單元尤其對(duì)這樣的場(chǎng)合提供了優(yōu)越性一方面要求高的位移精度，例如在微米和分微米范圍內(nèi)，另一方面由于結(jié)構(gòu)空間原因不允許安裝其它的部件。
特別有利的是，通過(guò)本發(fā)明可借助用于汽車(chē)中的燃料噴射系統(tǒng)中的直接閥針控制來(lái)控制燃料的噴射，在這里甚至可實(shí)現(xiàn)閥針調(diào)節(jié)。
在以下所述的本發(fā)明實(shí)施例中可有利地將一個(gè)壓電執(zhí)行元件與一個(gè)壓電傳感器這樣集成在一個(gè)部件中，其方式是，將各個(gè)壓電元件相互堆疊，然后分開(kāi)地根據(jù)功能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)(執(zhí)行元件)或讀出(傳感器)。為此，在機(jī)械方面串聯(lián)連接的壓電層在電方面并聯(lián)地連接。
視應(yīng)用不同，可以使執(zhí)行元件部分的大量有源壓電層面對(duì)傳感器部分的相對(duì)較少量的無(wú)源壓電層或者相反。因?yàn)樵趬弘娦?yīng)下伸長(zhǎng)的絕對(duì)值是很小的，但相反地與此相關(guān)的電荷量很大，在一些優(yōu)選實(shí)施例中可使多個(gè)有源元件面對(duì)少量無(wú)源元件。在此情況下堆垛可用有利的方式這樣實(shí)現(xiàn)，即每在一定數(shù)量、例如20個(gè)有源壓電層后各置入或觸點(diǎn)接觸一個(gè)傳感器元件，它由至少一個(gè)無(wú)源層組成。此外該傳感器元件可分成多個(gè)單個(gè)的、彼此并列布置的段，由此可多重量取傳感器信號(hào)并由此提高抗故障安全性。
堆垛結(jié)構(gòu)是涉及粘接在一起的單個(gè)壓電層還是涉及以所謂綠色狀態(tài)堆疊然后一起燒結(jié)成一個(gè)陶瓷體的單層(共燒結(jié)方法)，對(duì)于本發(fā)明的有利功能是無(wú)關(guān)緊要的。
有利的是，在壓電執(zhí)行元件具有一個(gè)矩形橫截面的情況下，執(zhí)行元件部分的和傳感器部分的在電方面正的和負(fù)的外電極設(shè)置在壓電執(zhí)行元件的相對(duì)立的側(cè)面上，但它們彼此錯(cuò)開(kāi)90°地向外引出。但也可以是，執(zhí)行元件部分的以及傳感器部分的外電極一起被設(shè)置在壓電執(zhí)行元件的兩個(gè)相對(duì)立的側(cè)面上。
在另一有利實(shí)施例中，傳感器部分的內(nèi)電極被引到壓電執(zhí)行元件的角區(qū)域中并且在那里分別與外電極觸點(diǎn)接觸。在具有多個(gè)傳感器部分的情況下，各個(gè)內(nèi)電極可有利地交替與角區(qū)域的不同側(cè)面上的外電極觸點(diǎn)接觸。
如果該部件包括多個(gè)在作用方向上在機(jī)械方面彼此并聯(lián)連接的傳感器單元，則它們?cè)陔姺矫婵杀舜瞬⒙?lián)地連接，其方式是，相同極性的相應(yīng)內(nèi)電極共同在外側(cè)面上觸點(diǎn)接觸，由此改善了傳感器的靈敏度。
根據(jù)另一有利實(shí)施形式，在具有多個(gè)與外電極觸點(diǎn)接觸的傳感器部分的情況下，傳感器部分的具有相同極性的各個(gè)內(nèi)電極在壓電執(zhí)行元件的作用方向上前后排列地在壓電執(zhí)行元件的一個(gè)側(cè)面上觸點(diǎn)接觸。
附圖以下借助附圖來(lái)描述具有集成的傳感器的本發(fā)明壓電執(zhí)行元件的有利實(shí)施例。附圖表示

圖1具有用于執(zhí)行元件部分及用于傳感器部分的、由壓電陶瓷層和位于其間的內(nèi)電極組成的多層結(jié)構(gòu)的壓電執(zhí)行元件的一個(gè)剖面，圖2相應(yīng)于圖1的一個(gè)剖面，但其中的壓電執(zhí)行元件在這里被分成多個(gè)有源的執(zhí)行元件部分和無(wú)源的傳感器部分，圖3根據(jù)圖1的壓電執(zhí)行元件的一個(gè)橫剖面，圖4具有兩個(gè)并列設(shè)置的傳感器壓電層的壓電執(zhí)行元件的一個(gè)橫剖面，圖5具有三個(gè)并列設(shè)置的傳感器壓電層的壓電執(zhí)行元件的一個(gè)橫剖面，圖6和圖7具有一個(gè)執(zhí)行元件部分和一個(gè)傳感器部分的壓電執(zhí)行元件的一個(gè)橫剖面及一個(gè)立體圖，該執(zhí)行元件部分和傳感器部分分別在壓電執(zhí)行元件的相同側(cè)上觸點(diǎn)接觸，圖8和圖9根據(jù)圖6和7的實(shí)施例的另一變型，圖10和圖11具有用于傳感器部分的、較小的、在角上觸點(diǎn)接觸的內(nèi)電極的壓電執(zhí)行元件的一個(gè)橫剖面和一個(gè)立體圖。
實(shí)施例的說(shuō)明圖1中表示出一個(gè)壓電執(zhí)行元件1，它以公知方式由具有適當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷材料壓電層、例如所謂綠色薄膜構(gòu)成，由此通過(guò)利用所謂壓電效應(yīng)，當(dāng)通過(guò)該圖中未示出的、而由圖3中可看到的外電極4和5將一個(gè)外部直流電壓施加在內(nèi)電極2和3上時(shí)，在作用方向6或7上發(fā)生壓電執(zhí)行元件1的一個(gè)機(jī)械響應(yīng)。在這里，這些具有內(nèi)電極2及3的壓電層在作用方向6或7上分布在壓電執(zhí)行元件1的整個(gè)結(jié)構(gòu)上，以一種從現(xiàn)有技術(shù)公知的方式例如通過(guò)燒結(jié)彼此燒結(jié)成塊。
因此，根據(jù)圖1的壓電執(zhí)行元件1的縱剖面表示一個(gè)堆垛結(jié)構(gòu)，其中，具有相應(yīng)內(nèi)電極2及3的有源壓電層垂直于圖面、一上一下交替地觸點(diǎn)接觸在壓電執(zhí)行元件1的外側(cè)面上。此外在這些有源壓電層之間安置了帶有內(nèi)電極8及9的無(wú)源壓電層，其中，這些傳感器壓電層向左偏錯(cuò)90°地被引導(dǎo)到一個(gè)外電極10上或向右被引導(dǎo)到一個(gè)外電極11上并且在那里觸點(diǎn)接觸。在這里，傳感器部分與執(zhí)行元件部分偏錯(cuò)90°的這種布置不是一定要求的。
對(duì)于圖2中所示情況，以類(lèi)似方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其中，多個(gè)執(zhí)行元件部分和傳感器部分在機(jī)械方面串聯(lián)地及在電氣方面并聯(lián)地連接。
該結(jié)構(gòu)也可由根據(jù)圖3的橫剖面看出，由該圖可看到，用于激活壓電執(zhí)行元件1的外電極4及5設(shè)置在壓電執(zhí)行元件1的在該圖中在上面和下面相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上并且用于傳感器部分的外電極10及11左右相對(duì)地設(shè)置在壓電執(zhí)行元件1上。具有分段的傳感器部分的其它變型及通過(guò)壓電執(zhí)行元件1中的內(nèi)電極2及3或8及9的特殊埋設(shè)使內(nèi)電極向外觸點(diǎn)接觸的改型借助下面的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明。
圖4表示傳感器部分構(gòu)型方面的一個(gè)可能的變型方案；這里相對(duì)上述實(shí)施例改變的是，每?jī)蓚€(gè)具有相應(yīng)傳感器壓電層12和13的傳感器層彼此并列地設(shè)置在一個(gè)平面中，因此，為了提高測(cè)量可靠性，傳感器信號(hào)可被兩次、而不是一次在相應(yīng)的外電極上量取。通過(guò)相應(yīng)改變對(duì)壓電執(zhí)行元件1在傳感器內(nèi)電極方面的設(shè)計(jì)還可以進(jìn)一步劃分這些內(nèi)電極，由此可用簡(jiǎn)單方式制造根據(jù)圖5的具有傳感器壓電層14，15和16的三重分段結(jié)構(gòu)。
通過(guò)傳感器內(nèi)電極的這種分段或在縱向上的順序地劃分，可以量取比僅一個(gè)更多的傳感器信號(hào)。因此基本上存在這樣的可能性這些傳感器內(nèi)電極或者分開(kāi)地使用、或者并聯(lián)地連接，以使傳感器信號(hào)雙重或多重。
以下借助根據(jù)圖6和7以及根據(jù)圖8和9的另外兩個(gè)實(shí)施例來(lái)說(shuō)明分別在壓電執(zhí)行元件1的相同側(cè)上具有用于執(zhí)行元件部分和傳感器部分的觸點(diǎn)接觸可能性的其它變型，其中圖7及9分別表示根據(jù)圖6或8的實(shí)施例的立體圖。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)元件的功能基本上相應(yīng)于圖1至3中所述的功能，在這里選擇相似的參考標(biāo)號(hào)。在此也可以是，如由圖4及5所示，傳感器部分可分段成多個(gè)并列設(shè)置的部分。
在圖10及從屬的圖11中給出了一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)它可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件部分和傳感器部分的另一有利的組合，其中出內(nèi)電極的設(shè)計(jì)這樣變化，使得在每個(gè)壓電層中設(shè)有一個(gè)執(zhí)行元件壓電層及一個(gè)或多個(gè)傳感器壓電層。根據(jù)圖10及11的傳感器內(nèi)電極的每個(gè)較小的電容器面17，18或19，20在這里面對(duì)較多數(shù)量的傳感器壓電層，由此在這里也可實(shí)現(xiàn)可接受的傳感器輸出信號(hào)。在該變型方案特別有利的是，在這里，例如由于外部觸點(diǎn)接觸的部分松脫引起的少量單個(gè)層的失效僅很使可被察覺(jué)。尤其在傳感器部分雙重實(shí)施的情況下，該變型方案具有提高的可靠性。
權(quán)利要求
1.壓電執(zhí)行元件，具有一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，由垂直于作用方向(6，7)的壓電層和安置在這些壓電層之間的內(nèi)電極(2，3)組成，這些內(nèi)電極為了操作該壓電執(zhí)行元件可通過(guò)外電極被加載一個(gè)電壓，及具有帶有內(nèi)電極(8，9)的另外的壓電層，在這些壓電層上，一個(gè)與對(duì)壓電執(zhí)行元件(1)的操作成正比的電的傳感器信號(hào)可通過(guò)另外的外電極(10，11；21，22，23，24)獲取，其特征在于用于執(zhí)行元件部分的壓電層和用于所述至少一個(gè)傳感器部分的壓電層被這樣集成在一個(gè)作為壓電執(zhí)行元件(1)的部件中，使得各個(gè)傳感器壓電層以可預(yù)給定的距離或布置安置在用于執(zhí)行元件部分的壓電層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電執(zhí)行元件，其特征在于在壓電執(zhí)行元件(1)具有一個(gè)矩形橫截面的情況下，執(zhí)行元件部分的在電方面正的和負(fù)的外電極(4，5)和傳感器部分的在電方面正的和負(fù)的外電極(10，11；21，22，23，24)分別是設(shè)置在壓電執(zhí)行元件(1)的相對(duì)立的側(cè)面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電執(zhí)行元件，其特征在于在具有多個(gè)分別單個(gè)地與外電極觸點(diǎn)接觸的傳感器部分的情況下，這些傳感器部分的相應(yīng)傳感器壓電層(12，13；14，15，16)相互并列地安置在一個(gè)橫向于作用方向(6，7)的平面中；及在這些傳感器部分中，分別具有相同極性的內(nèi)電極(8，9)在壓電執(zhí)行元件(1)的作用方向(6，7)上平行并列地在該壓電執(zhí)行元件(1)的一側(cè)上與外電極觸點(diǎn)接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的壓電執(zhí)行元件，其特征在于執(zhí)行元件部分的外電極(4，5)以及所述至少一個(gè)傳感器部分的外電極(10，11)并列地安置在壓電執(zhí)行元件(1)的兩個(gè)相對(duì)立的側(cè)面上。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)的壓電執(zhí)行元件，其特征在于所述至少一個(gè)傳感器部分的內(nèi)電極(17，18，19，20)位于角部區(qū)域中并且在那里分別與外電極觸點(diǎn)接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的壓電執(zhí)行元件，其特征在于在具有多個(gè)傳感器部分的情況下，相應(yīng)的內(nèi)電極(17，18，19，20)交替地與角部區(qū)域的不同側(cè)面上的外電極觸點(diǎn)接觸。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)的壓電執(zhí)行元件，其特征在于多個(gè)在機(jī)械方面串聯(lián)連接的傳感器單元在電方面并聯(lián)地連接和/或多個(gè)在機(jī)械方面串聯(lián)連接的執(zhí)行元件單元在電方面并聯(lián)地連接。
全文摘要
提出一種壓電執(zhí)行元件，例如用于操作機(jī)械部件，其中，壓電執(zhí)行元件設(shè)置有一個(gè)由垂直于作用方向(6，7)的壓電層和安置在這些壓電層之間的內(nèi)電極(2，3)組成的多層結(jié)構(gòu)，這些內(nèi)電極為了操作該壓電執(zhí)行元件可通過(guò)外電極被加載一個(gè)電壓。在帶有內(nèi)電極(8，9)的另外的壓電層上，一個(gè)與對(duì)壓電執(zhí)行元件(1)的操作成正比的電的傳感器信號(hào)可通過(guò)另外的外電極(10，11；21，22，23，24)獲取。用于執(zhí)行元件部分的壓電層和用于所述至少一個(gè)傳感器部分的壓電層被這樣集成在一個(gè)作為壓電執(zhí)行元件(1)的部件中，使得用于傳感器部分的各個(gè)壓電層以可預(yù)給定的距離或并列地安置在用于執(zhí)行元件部分的壓電層之間。
文檔編號(hào)H01L41/047GK1864279SQ200480028882
公開(kāi)日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月1日
發(fā)明者阿克塞爾·恩德里斯 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司