CN102124586A - 多层结构的压电执行器 - Google Patents

Abstract

说明一种多层结构的压电执行器(1)，其中压电层(2)和电极层(3)被设置以形成堆叠(11)。电极层(3)通过两个由彼此交织的金属丝(41)构成的外电极(4a、4b)电接触。在此，外电极(4a、4b)全面与堆叠(11)的侧面连接。此外说明一种用于安装外电极的方法。

Description

多层结构的压电执行器

技术领域

说明一种压电执行器，该压电执行器由多个压电层与位于这些压电层之间的电极层构成。在电极层上施加电压时压电层扩展，由此产生位移(Hub)。这种压电执行器例如用于操作汽车中的喷射阀。

背景技术

在压电执行器运行时可能出现机械应力并且产生裂缝，尤其是也在外电极上产生裂缝。由此可能导致压电执行器的故障。

在文献EP 0844678 B1中说明了一种压电执行器，该压电执行器具有三维结构的导电电极，该电极通过部分的接触部位与金属化基体(Grundmetallisierung)连接。

发明内容

要解决的任务是，说明一种具有外电极的压电执行器，该压电执行器能够低成本地制造并且具有高可靠性。

说明一种多层结构的压电执行器，该压电执行器具有由压电层和位于所述压电层之间的电极层构成的堆叠。该压电执行器具有至少一个用于电接触电极层的外电极，所述外电极被构造为金属丝网。外电极被全面固定在堆叠的外侧上。

压电执行器优选是单片多层执行器，其由例如铅-锆酸盐-钛酸盐(PZT)的压电材料的薄膜制造。为形成电极层，可以借助丝网印刷方法将金属膏——例如银-钯膏或者含铜的膏——施加到薄膜上。接着对这些薄膜进行堆叠、加压并且一起烧结。由此产生单片的烧结体，其中所有的层被一起烧结。电极层优选被实施为使得这些电极层沿压电执行器的堆叠方向交替地引出直到堆叠的一个侧面，并且相对于另一个侧面后退。为电接触电极层，可以在两个侧面上安装外电极。由此，电极层在堆叠方向上交替地与外电极之一电连接，并且与第二外电极具有距离。

至少一个外电极是金属丝网，该金属丝网具有彼此交织的金属丝。在全面固定金属丝网时，至少与堆叠的外侧邻接的金属丝的区域固定在堆叠的外侧上。

通过这种方式，外电极与压电执行器固定连接，并且实现可靠的接触。此外通过固定紧贴在堆叠外侧上的金属丝段，防止了该金属丝段与外侧的相对运动，从而防止了金属丝在堆叠外侧上的刮蹭。

优选位于金属丝网的朝向堆叠外侧的一侧的金属丝段与堆叠的外侧固定连接。在此，如果金属丝段从堆叠的外侧能够到达，则该金属丝段朝向堆叠的外侧。这例如涉及从堆叠的外侧出来垂直向上延伸的金属丝段。尤其是在朝向堆叠的外侧的金属丝段与堆叠的外侧之间不存在其他的金属丝段。

金属丝网优选全面位于堆叠上。这具有能够实现特别节省空间地接触压电执行器的优点。在这种情况下，优选所有的金属丝都固定在堆叠的外侧。

但是，通过优选的交织，金属丝形成网格节点，在这些网格节点处一条金属丝位于上面，一条金属丝位于下面。在全面放置金属丝网时也应该包括这种情况，即在网格节点的区域内位于上面的金属丝的区域不直接放置在堆叠的外侧上。优选这些区域与位于下面的金属丝固定连接，然而这些区域不必直接固定在堆叠的外侧上。然而，网格节点的位于下面的放置在堆叠外侧上的金属丝直接固定在堆叠的外侧上。

在一个优选实施方式中，外电极固定在堆叠的金属化基体上。该金属化基体安装在堆叠的外侧上。例如在堆叠的两个相对的侧面上施加金属化基体，在所述金属化基体上分别固定一个外电极。

金属化基体优选具有至少一种经过焙烧的金属膏或者含金属膏。优选将经过焙烧的膏以层的形式施加在堆叠上。

这种金属膏例如可以在烧结堆叠以前施加在堆叠的外侧上。在这种情况下，该金属膏在烧结堆叠时被一起焙烧，使得产生所谓的共烧结的金属化基体。可替代于此地，可以在烧结堆叠以后将金属膏施加在外侧上，并且接着进行焙烧。这种金属化基体也可以具有多种彼此相叠涂敷的金属膏。

金属膏例如包含铜和银的集合中的金属。在烧结堆叠以后被焙烧的金属化基体优选具有至少一种包含玻璃焊剂(Glassfluss)成分的膏。在多种彼此相叠涂敷的金属膏的情况下，优选至少与堆叠直接邻接的金属膏包含玻璃焊剂成分。通过这种方式，能够实现金属化基体在堆叠上的足够的粘附度。在金属化基体的直接与堆叠邻接的层上可以施加另一种金属膏。该金属膏优选不包含玻璃焊剂成分。

优选将外电极焊接在金属化基体上。在此例如使用锡、锡合金、铅或者锑的集合中的焊接材料。使用焊接材料锡所具有的优点是，不必或者仅需少量使用有损健康的材料，如铅或镉。焊接材料优选在焊接后具有一定的可弹性变形性。这所具有的优点是，在堆叠的外侧上出现裂缝时，焊接材料膨胀并且能够搭接该裂缝，而不致于立即裂开。

为改善可焊接性，对经过焙烧的金属化基体进行表面处理。

在一种实施方式中，在外电极与金属化基体之间存在连续的焊接层。

优选焊接层平面地覆盖金属化基体的上面施加有金属丝网的区域。这可以导致，金属化基体在施加有金属丝网的区域中不能从外面看到。金属丝网位于焊接层上或者部分地或者全部沉入焊接层中。金属丝网借助焊接层固定在堆叠上。在金属丝沉入焊接层中的情况下，这些金属丝也可以直接与堆叠的外侧邻接，并且由焊接层在侧面包围。这种情况在这里也应该被一起包括。这种连续的焊接层能够简单地施加并且能够低成本地制造。

在一种实施方式中，金属丝以90°的角度彼此交织。优选地，金属丝与堆叠方向成45°的角度。

这所具有的优点在于，在沿堆叠方向出现拉应力时，这种金属丝网经受比金属丝沿堆叠方向设置时的金属丝网小的总延伸。拉应力例如在垂直于执行器的堆叠方向产生裂缝时出现。执行器的堆叠方向例如也对应于位移方向。在这种情况下，在压电执行器的正常运行中也对金属丝网施加小的负荷，并且确保了可靠的接触。

在一种实施方式中，金属丝网具有金属丝，所述金属丝具有导电的载体材料。

在此，该载体材料形成金属丝的基本支架。在该载体材料上为改善金属丝网的可焊接性或导电性可以施加镀层。

载体材料例如包含例如钢、铜或者铜合金的金属或者导电的聚合物。尤其是载体材料也可以由这些材料中的一种或多种构成。

该镀层例如包含铜和锡的集合中的至少一种金属。金属丝优选包含钢，并且至少部分用铜和锡的集合中的一种或多种金属镀层，由此能够获得良好的与焊料的浸润性(Benetzbarkeit)。

在另一种可替代的实施方式中，金属丝网具有金属丝，所述金属丝具有绝缘载体材料。该载体材料例如包含绝缘聚合物或者如木材的绝缘材料。在金属丝由非导电的金属化基体构成的情况下，可以通过金属镀层来获得足够的导电性。

金属丝的载体材料优选是弹性的。

这所具有的优点是，在机械负荷的情况下该金属丝弹性形变，并且以小的可能性在金属丝中产生裂缝。例如，在其上固定有金属丝网的堆叠的外侧存在裂缝时出现机械负荷。如果金属丝是弹性的，则这些金属丝经受延伸并且可搭接该裂缝。

在一种实施方式中，外电极被构造为包括多个层的金属丝网，其中最下面的层与堆叠的外侧邻接。该最下面的层全面固定在堆叠的外侧上。

在多层金属丝网的情况下，外电极的可靠性被提高，并且出现切断外电极的裂缝的可能性被降低。金属丝网可以实施为两层的。优选将上面的层焊接在下面的层上。

多层金属丝网例如通过对一个金属丝网进行折叠来制造。为了制造两层的金属丝网，可以将一个单层的金属丝网从两个相对的纵向侧向内折叠，使得所述纵向侧在金属丝网的中间相遇。接着将纵向侧的边缘彼此焊接在一起。

此外说明一种用于在压电执行器上安装外电极的方法。在此提供由压电层和位于所述压电层之间的电极层构成的堆叠。在堆叠的外侧上施加金属化基体并且进行焙烧。例如可以在烧结过程期间或在烧结过程以后对金属化基体进行焙烧。

此外提供金属丝网。该金属丝网用焊接材料镀层。例如通过电镀沉积将例如锡、锡合金、锑或者铅的焊接材料施加在金属丝网上。接着将金属丝网放置到金属化基体上并且加热，使得焊接材料熔化并且实现金属丝网与金属化基体的焊接。

在此优选将要使用的焊接材料的量选择为使得能够实现金属丝网与金属化基体的全面焊接。另一方面，也不允许焊接材料的量过多，从而不影响执行器的作用能力。

在一种实施方式中，在焊接过程期间将金属丝网压到金属化基体上。这所具有的优点在于，该网可以在焊接时被更大程度上浸入到焊接层中并且可以建立更稳定的连接。此外通过加压能够更可靠地实现金属丝网与金属化基体的全面焊接。为了确保金属丝网的全面焊接，该压力必须与其他的处理参数协调，所述处理参数例如为所使用的焊接材料的种类和量、焊接过程中的温度和金属丝网的种类。此外通过加压能够实现，所述网紧贴在执行器的侧面上，使得能够节省空间地进行接触。

附图说明

下面根据示意性的和非按比例的图阐述所说明的压电执行器及其有利的扩展方案。

图1以透视图示出压电执行器，

图2以侧视图示出压电执行器，

图3以垂直于堆叠方向的横截面示出压电执行器。

具体实施方式

图1示出多层结构的压电执行器1，其中多个例如陶瓷层的压电层2沿堆叠11的堆叠方向S设置。堆叠方向S对应于压电执行器1的纵向方向。在压电层2之间设置电极层3。在堆叠11的两个侧面上施加分别以金属丝网40形式的外电极4a、4b，在金属丝网40中由载体材料构成的镀有铜的金属丝41彼此交织，该载体材料由钢构成。外电极4a、4b被完全焊接在堆叠11的两个相对侧面上的金属化基体6a、6b上。

图2示出具有构造为金属丝网40的外电极4a的压电执行器1。金属丝网40的金属丝41a、41b以90°的角度彼此交织，并且分别与堆叠方向S成45°的角度。通过这种方式，金属丝在堆叠方向S的方向上的拉应力情况下经受比沿堆叠方向S设置金属丝时小的负荷。金属丝41a、41b彼此交织，使得在网格节点43处一条金属丝41a位于下面并且一条金属丝41b位于上面。沿着金属丝41a、41b，相应的金属丝41a、41b在网格节点处交替地位于上面和下面。

在这里，外电极4a沿着堆叠方向S以自由端42a伸出堆叠11。在自由端42a上固定有连接线7。该连接线例如焊接或熔焊到外电极4a的自由端42a上。可替代于此地，外电极4a可以如在图1中所示那样在堆叠11的侧面内终止。由此，连接线7也可以被焊接在外电极41a的固定在堆叠11的外侧上的区域中。

图3以垂直于堆叠方向S的横截面示出根据图2的压电执行器1。在此，该横截面沿图2中绘出的虚线延伸并且与金属丝网40的网格节点43相交。在截面图中可以看到金属化基体6a、6b，所述金属化基体6a、6b被施加到压电执行器1的两个彼此相对的侧面上。外电极4a、4b借助于焊接层5a、5b被全面固定在金属化基体6a、6b上。

外电极4a、4b全面与堆叠11的侧面连接。尤其是朝向堆叠11的外侧的金属丝段直接固定在堆叠11上。在网格节点43处，分别有两条金属丝相交，其中一条金属丝41c位于上面而另一条金属丝41d位于下面。在这里，位于下面的金属丝41d与金属化基体6a直接机械接触，并且由焊接层5a在侧面包围。焊接层5a平面地覆盖金属化基体6a，也就是该焊接层5a仅被金属丝41b中断。因此，金属化基体6a在外电极4a的区域中从外部看不见，因为该金属化基体6a由焊接层5a和外电极4a覆盖。上面的金属丝41c在这里同样直接借助于焊接层5a固定在堆叠11上。然而替代于此地，金属丝4c也可以仅固定在下面的金属丝41b上。重要的是，与堆叠11的外侧邻接的金属丝段直接固定在堆叠11上。在此，焊接材料可以位于金属丝与堆叠11的外侧之间或者在侧面粘附在金属丝上。焊接材料不必如这里所示那样作为连续的焊接层5a来构造，而只要焊接材料具有确保将金属丝网40全面固定在堆叠11上的形状就足够了。

然而全面固定还应该包括这种情况，即要位于金属丝网40的侧缘上的单根金属丝不被固定在堆叠11的外侧上。这样的金属丝41e也可以在图3中看到。该金属丝41e是网格节点43的下面的金属丝并且与堆叠11邻接。该金属丝41e位于焊接层5a之外，并且未被固定在堆叠11的外侧上。位于上面的金属丝41f也没有固定在堆叠的外侧上，而仅通过焊接连接(未绘出)与下面的金属丝41e连接。

本发明不通过根据实施例的描述而受限于这些实施例，而是包括每一新的特征以及特征的每一组合。这尤其是包含权利要求书中的特征的每一组合，即使在该特征或者该组合自身未在权利要求书或者实施例中明确说明时也是如此。

附图标记列表

1                                 压电执行器

11                                堆叠

2                                 压电层

3                                 电极层

4a、4b                            外电极

40                                金属丝网

41、41a、41b、41c、41d、41e、41f  金属丝

42a、42b                          自由端

43                                网格节点

5a、5b                            焊接层

6a、6b                            金属化基体

7                                 连接线

S                                 堆叠方向

Claims (15)

1.多层结构的压电执行器，

—具有由压电层(2)和位于所述压电层之间的电极层(3)构成的堆叠(11)，

—具有至少一个构造为金属丝网(40)的用于电接触电极层(3)的外电极(4a、4b)，

—其中外电极(4a、4b)全面焊接在堆叠(11)的外侧上的金属化基体(6a、6b)上。

2.根据权利要求1所述的压电执行器，

—其中金属丝网(40)具有网格节点(43)，该网格节点(43)具有位于上面的金属丝(41c)和位于下面的金属丝(41d)。

3.根据权利要求2所述的压电执行器，

—其中在网格节点(43)上固定至少在堆叠(11)的外侧上位于下面的金属丝(41d)。

4.根据权利要求1至3之一所述的压电执行器，

—其中金属丝网(40)具有金属丝(41)，所述金属丝(41)具有导电的载体材料。

5.根据权利要求4所述的压电执行器，

—其中载体材料包含来自钢、铜以及铜合金的集合中的材料。

6.根据权利要求1至5之一所述的压电执行器，

—其中金属丝网(40)具有金属丝(41)，所述金属丝(41)具有绝缘的载体材料。

7.根据权利要求1至6之一所述的压电执行器，

—其中载体材料是弹性的。

8.根据权利要求1至7之一所述的压电执行器，

—其中金属丝网(40)具有金属丝(41)，所述金属丝(41)配备有导电镀层。

9.根据权利要求8所述的压电执行器，

—其中导电镀层包含铜和锡的集合中的至少一种金属。

10.根据权利要求1至9之一所述的压电执行器，

—其中金属丝网(40)具有金属丝(41)，所述金属丝(41)彼此以90°的角度交织，并且与堆叠(11)的堆叠方向(S)成45°的角度。

11.根据权利要求1至10之一所述的压电执行器，

—其中金属化基体(6a、6b)具有至少一种经过焙烧的金属膏。

12.根据权利要求1至11之一所述的压电执行器，

—其中为改善可焊接性对金属化基体(6a、6b)进行表面处理。

13.根据权利要求1至12之一所述的压电执行器，

—其中在外电极(4a、4b)与金属化基体(6a、6b)之间存在连续的焊接层(5)。

14.根据权利要求1至13之一所述的压电执行器，

—其中金属丝网(40)包括多个层，并且最下面的层全面固定在堆叠(11)的外侧上。

15.用于将外电极安装在压电执行器上的方法，包括下述步骤：

A)提供由压电层(2)和位于所述压电层之间的电极层(3)构成的堆叠(11)，所述电极层(3)具有施加在外侧上并且经过焙烧的金属化基体(6a)，

B)准备金属丝网(40)，

C)用焊接材料为金属丝网(40)镀层，

D)将金属丝网(40)放置到金属化基体(6a)上，

E)加热金属丝网(40)并且在此将金属丝网(40)与金属化基体(6a)焊接到一起，其中金属丝网(40)在该焊接过程期间被压到金属化基体(6)上。

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