專利名稱：具有新型觸點(diǎn)接通的壓電執(zhí)行元件及其制造方法
壓電執(zhí)行元件一般是由數(shù)個(gè)排列成一重疊的壓電元件所組成。每一個(gè)這樣的元件又是由一個(gè)壓電陶瓷層構(gòu)成，它的兩面配以金屬的電極。如果在這些電極上加上一個(gè)電壓，壓電陶瓷層反應(yīng)為晶格變形，它導(dǎo)致了沿著一個(gè)主軸線上的一個(gè)可利用的長度伸長。因?yàn)樗中∮谘刂鬏S線上層厚的千分之二，必須制造一個(gè)相應(yīng)較高的活性的壓電陶瓷層的層厚以達(dá)到一個(gè)所期望的絕對(duì)長度伸長。然而隨著壓電陶瓷層厚的增加在一個(gè)壓電陶瓷元件內(nèi)部與壓電元件相對(duì)應(yīng)的所需要的電壓也得提高。為了使它能保持在可處理范圍之內(nèi)，被制造成多層執(zhí)行元件，壓電單個(gè)元件的厚度一般在20和200μm之間。隨后為了一個(gè)所期望的長度伸長一個(gè)壓電執(zhí)行元件必須有一個(gè)相應(yīng)的單個(gè)元件數(shù)即-層數(shù)。
因此已知的多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行元件是由總共幾百個(gè)單個(gè)層所組成。為了它的制造將壓電陶瓷綠膜交替地與電極材料排列成一重疊并且一起燒結(jié)成一個(gè)大約為5mm高的整體的組合。例如具有較大的絕對(duì)伸長的較大的執(zhí)行元件可以由多個(gè)這樣的重疊粘接在一起而得到。特別是當(dāng)壓電執(zhí)行元件必須承受大的力時(shí)完全整體的多層組合形式的壓電執(zhí)行元件具有足夠高的剛性，它以成重疊的形式顯示了一個(gè)足夠堅(jiān)固的單層的組合。
采用多層結(jié)構(gòu)形式的這種壓電執(zhí)行元件的電觸點(diǎn)接通例如可以用由金屬帶安放在壓電執(zhí)行元件的外邊或者也可以安放在單個(gè)執(zhí)行元件的平面中心孔里。為了在相鄰的兩個(gè)壓電陶瓷層上有一個(gè)電極層可以被用作為電極，在重疊之內(nèi)的電極層的電觸點(diǎn)接通給它們以交替的極性。為了例如使每個(gè)第二個(gè)電極層與一個(gè)金屬帶連接，它必須與中間的電極層絕緣。這個(gè)可以用簡單的方法實(shí)現(xiàn)，每個(gè)第二個(gè)電極層在一個(gè)金屬帶范圍內(nèi)有一個(gè)空白，在空白處它沒有被延伸到金屬帶上。其余的電極層只在第二個(gè)金屬帶范圍有空白，以便與交替極性的一個(gè)觸點(diǎn)接通成為可能。
交替的觸點(diǎn)接通的另一個(gè)可能性是，每個(gè)第二個(gè)電極層在金屬帶范圍再附加絕緣。例如這可以用玻璃絕緣，它可以在形成重疊的整體壓電執(zhí)行元件制造完成以后例如在電極層的邊緣用電泳涂上。但是這種方法很貴并且對(duì)于壓電執(zhí)行元件是受限制的，它的陶瓷的單層至少為100μm。由于玻璃絕緣層小所以這種觸點(diǎn)接通的壓電執(zhí)行元件不適用于高可靠性和沒有保護(hù)的環(huán)境條件。
壓電執(zhí)行元件，其交替的觸點(diǎn)接通是用電極層的空白實(shí)現(xiàn)的，在觸點(diǎn)接通范圍內(nèi)壓電是非激活的，因?yàn)槟抢锶鄙僖粋€(gè)電極不能建立電子場。這不僅當(dāng)極化時(shí)而且當(dāng)壓電執(zhí)行元件運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下后果，在這個(gè)壓電非激活的接觸區(qū)將產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，它可以在金屬帶上導(dǎo)致平行于電極層的裂紋。這將可能導(dǎo)致金屬帶的完全脫開并且其后果為，當(dāng)由外面向金屬帶用點(diǎn)式電壓輸送時(shí)使由電壓供電的壓電執(zhí)行元件的一部分被脫開并且因此而變成非激活的。裂紋數(shù)視執(zhí)行元件的高度以及視內(nèi)部電極/壓電陶瓷的界面強(qiáng)度而定并且也可能在連續(xù)運(yùn)行時(shí)隨著交變的負(fù)荷條件而增加。一個(gè)在極化時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)的裂紋開口將隨著執(zhí)行元件的控制而繼續(xù)擴(kuò)大，但是在電壓脫開時(shí)又重新回到初始值。因而在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)被觀察到一個(gè)裂紋的動(dòng)態(tài)變化以及裂紋開口的動(dòng)態(tài)變化，這可以繼續(xù)損壞金屬帶。
因此本發(fā)明的任務(wù)是，給出一種壓電執(zhí)行元件及其制造方法，它具有一個(gè)可靠的電觸點(diǎn)接通，它避免了在觸點(diǎn)接通時(shí)出現(xiàn)電壓裂紋的負(fù)面后果。
按照本發(fā)明此任務(wù)是通過按照權(quán)利要求1的一個(gè)壓電執(zhí)行元件解決的。本發(fā)明的具有優(yōu)越性的結(jié)構(gòu)和一個(gè)制造壓電執(zhí)行元件的方法可從其它的權(quán)利要求中獲悉。
按照本發(fā)明壓電執(zhí)行元件可以有一個(gè)慣用的和優(yōu)越的整體結(jié)構(gòu)。重疊式的交替的壓電陶瓷層和電極層是上下排列的并且最好燒結(jié)在一起。在重疊的外邊至少要安放兩個(gè)金屬帶以構(gòu)成電極層的交替觸點(diǎn)接通。按照本發(fā)明金屬帶與接觸肩是連接在一起的，它有一個(gè)導(dǎo)電層。連接是導(dǎo)電的并且至少在要接觸的電極層的整個(gè)高度上是這樣實(shí)現(xiàn)的，在金屬帶的側(cè)面余留有一個(gè)接觸肩的凸出部分。
最好接觸肩是薄的，但是是不易撕碎的并且最好是柔性的。
凸出來的接觸肩提供了一個(gè)導(dǎo)電的并且與金屬帶連接的放大了的平面，不會(huì)因而同時(shí)使壓電執(zhí)行元件的非激活區(qū)必須被放大。如果當(dāng)極化時(shí)或壓電執(zhí)行元件運(yùn)行時(shí)在金屬帶上出現(xiàn)電壓裂紋，此裂紋則通過在接觸肩上的凸出部分的導(dǎo)電層而被短路。接觸肩的寬度和凸出部分的寬度的尺寸應(yīng)為，在具有大裂紋開口的金屬帶上的裂紋導(dǎo)致一個(gè)局域性的裂紋雖然還在接觸肩上，但是它一定只存在在接觸肩以內(nèi)。用這種方法所有在金屬帶上出現(xiàn)的裂紋均可以被導(dǎo)電而短路，這樣所有的原本接觸的電極層保持電的連接并且整個(gè)的執(zhí)行元件沒有功率損失。
用本發(fā)明也有可能，提高層數(shù)和因而提高壓電執(zhí)行元件的重疊的高度，而不至于同時(shí)導(dǎo)致裂紋形成導(dǎo)致電接觸中斷危險(xiǎn)的增大和導(dǎo)致壓電執(zhí)行元件的功能優(yōu)異性受到破壞。也有可能將整體的壓電執(zhí)行元件用具有較大的重疊高的多層結(jié)構(gòu)方式制成因而產(chǎn)生比較大的可利用的伸長。然而到目前為止只有通過幾個(gè)小的整體的執(zhí)行元件粘在一起才能得到大的伸長，現(xiàn)在單個(gè)的整體壓電執(zhí)行元件也能提高它的伸長，而不必顧慮執(zhí)行元件的損壞。只是整體的壓電執(zhí)行元件具有高的剛性，用它在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)可以可靠地承受大的力。
在本發(fā)明中的一個(gè)優(yōu)異的結(jié)構(gòu)中接觸肩是由一種復(fù)合材料構(gòu)成，它除了導(dǎo)電層以外至少還包括一個(gè)塑料層。這個(gè)塑料層提高接觸肩的撕裂強(qiáng)度并且用以改善接觸肩的保護(hù)以抵抗在壓電執(zhí)行元件運(yùn)行中的進(jìn)一步撕裂。一個(gè)由復(fù)合材料制成的接觸肩此外還有的優(yōu)點(diǎn)是，它比一個(gè)例如由純金屬例如一個(gè)金屬薄膜制成的接觸肩可以比較輕。當(dāng)壓電執(zhí)行元件在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)它不會(huì)出現(xiàn)附加的機(jī)械力。接觸肩是機(jī)械柔性的并且可以很容易地與各種壓電執(zhí)行元件的安裝方式和例如各種安裝殼體相適應(yīng)。比起慣用的觸點(diǎn)接通只出現(xiàn)小的附加材料費(fèi)用。
在本發(fā)明的一個(gè)其它的結(jié)構(gòu)中接觸肩包含有一個(gè)金屬涂層的塑料膜。在接觸肩突出部分的金屬的導(dǎo)電層上最好涂覆上一個(gè)塑料層。它的優(yōu)點(diǎn)是，接觸肩的的突出部分是全面絕緣的，這樣即使在強(qiáng)彎曲時(shí)在突出部分也不會(huì)出現(xiàn)與壓電執(zhí)行元件邊緣上可自由接觸到的電極層的短路。通過雙面導(dǎo)電的和例如在塑料層上附上金屬層接觸肩的撕裂強(qiáng)度進(jìn)一步被提高。
在為制造一個(gè)按照本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件的方法中一個(gè)整體的多層結(jié)合體是用慣用的和已知的方法制造成的。為此可以用電極材料印上的綠膜上下重疊在一起并且不用或用壓力被燒結(jié)在一起。壓電陶瓷薄膜和已加工好的壓電執(zhí)行元件可以是一個(gè)園的，長方形的或任意的其它的截面形狀。電極材料是這樣被印在薄膜上，重疊以后只有在觸點(diǎn)接通范圍內(nèi)的每個(gè)第二個(gè)電極層直到壓電陶瓷薄膜的外緣以及后來成為重疊的外緣被導(dǎo)電。將每一個(gè)金屬帶安放在兩個(gè)觸電接通區(qū)上例如每個(gè)第二個(gè)電極層與一個(gè)，余下的電極層與第二個(gè)金屬帶連接。金屬帶包括一種金屬，它是氣相沉積或?yàn)R射的或者借助于一個(gè)含金屬的膏涂上去并且燒上去的。
現(xiàn)在在金屬帶上被這樣安放一個(gè)接觸肩，其導(dǎo)電層在接觸的電極層的整個(gè)重疊的高度上是導(dǎo)電的并且緊固地連接在一起的。導(dǎo)電連接可以借助于一種導(dǎo)電膠，一種焊接過程或在一定情況下與金屬帶一起燒上去。接觸肩最好是焊上去的。一種特殊的保護(hù)焊接方法是激光光束焊接。這種方法可以將用于焊接的能量有選擇地耦合到接觸肩上，此時(shí)壓電執(zhí)行元件本身僅遭受到極小的熱負(fù)荷。而且它也不必預(yù)熱，這樣陶瓷就不會(huì)由于熱沖擊或過熱而出現(xiàn)損壞。
對(duì)于焊接所需要的焊料最好已經(jīng)放在接觸件上。為此在要焊接的范圍內(nèi)用慣用的方法，例如通過氣相沉積，濺射或用一種適合的慣用成分的焊錫電鍍上。
將接觸肩用激光光束焊接安放上去的優(yōu)點(diǎn)是，如果接觸肩是由包括一種塑料和一個(gè)導(dǎo)電層的復(fù)合材料組成的，其塑料對(duì)用于焊接的激光的波長是透明的。用這種方法激光能量幾乎全部被耦合到電鍍層和被放在上面的焊錫上。
金屬帶與接觸肩的焊接是在金屬帶的整個(gè)長度上或者至少是在要接觸的電極層的整個(gè)長度上。為此可以用一種連續(xù)激光器或一種相應(yīng)的掃描脈沖激光器。激光焊接的時(shí)間一般僅幾秒鐘而且可以自動(dòng)化地進(jìn)行。
下面將借助于一個(gè)結(jié)構(gòu)例子和從屬于它的6個(gè)附圖詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明。
附

圖1用橫截面簡圖表示一個(gè)壓電執(zhí)行元件的觸點(diǎn)接通。
附圖2用橫截面簡圖表示一個(gè)按照本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件。
附圖3用投影簡圖表示一個(gè)按照本發(fā)明的壓電執(zhí)行元件和附圖4至6用橫截面簡圖表示一種接觸肩的可能的結(jié)構(gòu)。
附圖1用斷面簡圖方式表示了一種已被人們所知道的多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行元件。它是由一重疊壓電陶瓷層2和中間安排的電極層3所組成。作為壓電陶瓷可以使用任何一種PZT-陶瓷(=鉛鋯酸鹽鈦酸鹽)。電極層是用一種適宜的材料，最好是一種含銀的烘烤膏。電極層還可以含有附加的氧化物添加劑以改善在陶瓷層2上的粘著性以及另外的單獨(dú)的金屬或另外的添加劑，例如白金或鈀。
用6個(gè)壓電陶瓷層2表示的重疊通過一起燒結(jié)，在一定的情況下提高壓力，被燒成一個(gè)堅(jiān)固的結(jié)合體。重疊的邊緣，與重疊的方向相平行安裝上金屬條帶4和5。這個(gè)可以同樣由一個(gè)燒上去的銀膏所構(gòu)成，還可以用其它的方法氣相沉積或?yàn)R射上去的。然而關(guān)鍵的即不是金屬的種類又不是金屬帶安裝到壓電執(zhí)行元件的重疊上的方法。在每個(gè)金屬條帶4,5上又被固定上電接頭6和7，例如通過焊上一個(gè)電導(dǎo)線。此時(shí)可以是在金屬帶的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)上連接或制造一個(gè)接觸肩。按照極性平行于重疊的方向得到一個(gè)具有功能的壓電執(zhí)行元件，它當(dāng)接線6和7上加上電壓時(shí)在r方向顯示出一個(gè)伸長。傳遞大的力的整體執(zhí)行元件重疊的厚度可以達(dá)到40mm并且根據(jù)壓電陶瓷層的厚度可以包括有1000個(gè)陶瓷層2。
此外從附圖1還可以看出，單個(gè)的電極層是平行地這樣被交錯(cuò)地連接在一起的，每個(gè)第二個(gè)電極層具有同一個(gè)極性。電極層3是這樣安置在壓電陶瓷層2上的，在金屬帶上觸點(diǎn)接通范圍上余留著空白14，它不被電極材料所覆蓋。這些空白被用作為電極層與金屬帶的絕緣，在這個(gè)地方它不應(yīng)被接通。
附圖2用通過內(nèi)部電極的橫截面表示一個(gè)列舉的壓電執(zhí)行元件。在圖中執(zhí)行元件是用四方形的截面線表示的，然而也可以是任意的其它的樣子。最上面的電極層3a在左上角有一個(gè)空白，在其上可以看到在它下面的壓電陶瓷層2。這個(gè)空白可以如圖所示不僅是正方形的，也可以是長方形或橢圓形或圓形的并且不僅安排在角上，也可以安排在執(zhí)行元件的中間。電極層3a與金屬帶4是導(dǎo)電連接的，在這里是安排在角上的。在對(duì)面角上安排的金屬帶5由于在電極層3a上的空白與它沒有接觸。但是它與在它下面的(在這里看不見)電極層3b是連接的，它在執(zhí)行元件的對(duì)角是用虛線表示的并且有用8標(biāo)示的空白。
按照本發(fā)明金屬帶4和5被與一個(gè)接觸肩13連接。連接是在整個(gè)重疊的高度上實(shí)現(xiàn)的或者至少是在要接觸的電極層3的整個(gè)高度上。接觸肩13是用一種粘接劑9粘上的，例如用一種可導(dǎo)電的粘接劑或用一個(gè)焊層。與重疊以及與金屬帶4連接相面對(duì)的接觸肩13有一個(gè)突出的部分，它的長度b是足夠的，當(dāng)壓電執(zhí)行元件運(yùn)行時(shí)或在極化時(shí)在金屬帶上出現(xiàn)的裂紋在接觸肩范圍內(nèi)擴(kuò)展。對(duì)于具有一個(gè)基本尺寸為7×7mm和一個(gè)高度為40mm的壓電執(zhí)行元件如果突出部分的寬度b為5至10mm是足夠了。重疊的厚度小時(shí)突出部分b的寬度也可以被選擇的小一些。
在突出部分b的端部觸點(diǎn)接通可以以任何方式，例如通過焊上一條導(dǎo)線，以便和電接頭6和7連上。
以同樣方式第二個(gè)金屬帶5與一個(gè)同樣的接觸肩13連接。最好的連接方法被選擇為用激光焊接。
附圖3用斷面和用一個(gè)投影簡圖方式表示了帶有一個(gè)安裝了接觸肩13的壓電執(zhí)行元件1。所表示的壓電執(zhí)行元件雖然顯示了一個(gè)長度方向的伸長，但是還不適用于傳遞大的力。為此在執(zhí)行元件1的上-和下端需要在這里沒被表示出來的壓電的非激活的端板，它同樣是與重疊整體地連接在一起的。
附圖4用橫截面簡圖表示了一個(gè)接觸肩的最簡單的結(jié)構(gòu)形式，其中接觸肩只包括一個(gè)導(dǎo)電層，例如一個(gè)金屬薄膜10。導(dǎo)電層(膜)10可以選擇為沿著一個(gè)已經(jīng)用焊接9或用一種其它的導(dǎo)電粘接劑涂上的邊，它被用作與金屬帶4和5連接。與所表示的截面縱向方向接觸肩的長度例如對(duì)應(yīng)于壓電執(zhí)行元件1的重疊高，而接觸肩13的寬度以及膜10的寬度至少與突出部分的寬度b加上與金屬帶連接的寬度相對(duì)應(yīng)。對(duì)于列舉的壓電執(zhí)行元件為7×7×40(mm)3時(shí)一個(gè)突出的部分b為5至10mm是足夠的。
附圖5表示了接觸肩13的一個(gè)其它的結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中它是包括一個(gè)支承件11和一個(gè)導(dǎo)電層10的一種復(fù)合材料。作為支承件11例如可以使用一種塑料薄膜，它是用一種能很好導(dǎo)電的金屬10涂層的。在本發(fā)明的一個(gè)結(jié)構(gòu)例子中作為支承件是使用一種Kapton膜，例如其厚度為25μm，它是由一種適當(dāng)?shù)慕饘伲?5μm的銅涂上的。作為連接劑9例如可以用電鍍法鍍上一層錫層9。使用銅作為電鍍層10的優(yōu)點(diǎn)是焊接性好和高導(dǎo)電性。
附圖6在本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)中接觸肩13的結(jié)構(gòu)和附圖5的相似，然而除了焊帶9以外還有一個(gè)絕緣層12，用它幾乎將導(dǎo)電層10的整個(gè)表面覆蓋以及涂覆上。這個(gè)絕緣層12可以是另外一種塑料層，它直接與焊帶9相接，或如圖所示，和它有一個(gè)距離。
作為安放方法被使用一個(gè)激光射線焊接，這樣它的特殊的優(yōu)越性在于，如果按照附圖5和附圖6接觸肩有一個(gè)對(duì)于所使用的激光波長透明的支承件11時(shí)，例如已敘述過的Kapton膜。用這種方法激光光束焊接可以用最小的能量進(jìn)行，此時(shí)激光能量幾乎可以全部被耦合于熔融焊接9上。薄膜11或壓電執(zhí)行元件1的一個(gè)熱負(fù)荷被避免。
權(quán)利要求
1．多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行元件，具有以下的特征-壓電陶瓷層(2)和電極層(3)是交替地上下排列成一重疊(1)-電極層(3)為了電的觸點(diǎn)接通以交替的極性交換地與至少在重疊的兩邊安放的金屬帶(4,5)連接，-具有一個(gè)導(dǎo)電層(10)的接觸肩(13)，是在這個(gè)導(dǎo)電層上與金屬帶(4,5)至少在要接觸的電極層(3)的整個(gè)高度上這樣連接，在金屬帶的側(cè)邊余留了一個(gè)突出的來的接觸肩部分(b)。
2．按照權(quán)利要求1的壓電執(zhí)行元件，其是整體構(gòu)造的。
3．按照權(quán)利要求1或2的壓電執(zhí)行元件，其中，接觸肩(13)是由一個(gè)導(dǎo)電層(10)和一個(gè)塑料層(11)的復(fù)合材料構(gòu)成的。
4．按照權(quán)利要求3的壓電執(zhí)行元件，其中，接觸肩(13)是一個(gè)金屬涂層的塑料層(11)。
5．按照權(quán)利要求1至4之一的壓電執(zhí)行元件，其中，接觸肩(13)的突出部分(b)的寬度至少為5至10mm。
6．按照權(quán)利要求1至5之一的壓電執(zhí)行元件，其中，接觸肩(13)包括一個(gè)兩邊由塑料(11,12)涂覆的導(dǎo)電層(10)，它在金屬帶范圍內(nèi)僅有一邊或完全不被塑料(12)所覆蓋。
7．按照權(quán)利要求1至6之一的壓電執(zhí)行元件，其中，接觸肩(13)包括一個(gè)用銅涂覆的塑料層(11)。
8．按照權(quán)利要求1至7之一的壓電執(zhí)行元件，其中，金屬帶(4,5)包括一個(gè)焙燒的金屬化層。
9．一個(gè)多層結(jié)構(gòu)方式壓電執(zhí)行元件的觸點(diǎn)接通方法，-其中，壓電陶瓷層(2)和電極層(3)被交替地上下排列并被連接成一個(gè)整體的結(jié)合體(1)，-其中，在重疊(19的側(cè)面至少要安放兩個(gè)金屬帶(4,5)，以便使電極層(3)以交替的極性進(jìn)行電接觸，-其中，金屬帶(4,5)在要接觸的電極層(3)的整個(gè)高度上與一個(gè)具有一個(gè)導(dǎo)電層(10)的接觸肩(13)在導(dǎo)電層上是這樣連接的，在金屬帶的側(cè)面余留出一個(gè)突出部分(b)。
10．按照權(quán)利要求9的方法，其中，導(dǎo)電層(10)在要連接范圍內(nèi)有一個(gè)焊接層(9)并且接觸肩(13)隨后借助于這個(gè)焊接層和一種焊接方法被焊接到金屬帶上。
11．按照權(quán)利要求9或10的方法，其中，金屬帶(4,5)與接觸肩(13)的連接是用激光焊接完成的。
全文摘要
當(dāng)多層結(jié)構(gòu)形式的壓電執(zhí)行元件運(yùn)行時(shí)由于當(dāng)極化時(shí)或者當(dāng)壓電執(zhí)行元件運(yùn)行時(shí)在金屬帶上可以出現(xiàn)裂紋,金屬帶是為了電極層觸點(diǎn)接通安放在執(zhí)行元件的外邊。按照本發(fā)明的建議,將導(dǎo)電的接觸肩這樣安放在金屬帶上,余留下一個(gè)突出部分,這樣隨后出現(xiàn)的裂紋在接觸肩的突出部分內(nèi)擴(kuò)展并且裂紋被電短路。
文檔編號(hào)H01L41/083GK1230291SQ97197865
公開日1999年9月29日 申請日期1997年11月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月12日
發(fā)明者D·克拉默, H·赫勒布蘭德, K·魯比茨, A·沃爾夫, C·哈曼, C·謝雷爾 申請人:西門子公司