CN102918674A - 用于制造压电执行器的方法和压电执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造具有压电堆叠（1）和布置在压电堆叠（1）的外侧处的两个外电极（2、3）的压电执行器（100）的方法。本发明的方法包括以下步骤：提供由多个交替地相继的未烧结膜（4’、5’）和连续的内电极层（6、7）构成的全活性的未烧结堆叠（1’），所述内电极层被设置用于交替地与要布置在要由未烧结堆叠（1’）制造的压电堆叠（1）的外侧处的两个外电极（2、3）电连接并且与相应的另外的外电极（2、3）电绝缘；使所述全活性的未烧结堆叠（1’）的外侧在如下区域中配备沟槽（8、9），在所述区域中内电极层（6、7）应与相应的外电极（2、3）电绝缘，从而沟槽（8、9）使内电极层（6、7）在所述区域中从未烧结堆叠（1’）的外侧向内缩短；用电绝缘的膏泥（10、11）填充沟槽（8、9）；继续处理其沟槽（8、9）用膏泥（10、11）填充的未烧结堆叠（1’），使得由未烧结膜（4’、5’）形成压电层（4、5）并且由未烧结堆叠（1’）形成压电堆叠（1）；将两个外电极（2、3）施加到压电堆叠（1）的外侧上，使得两个外电极（2、3）交替地与内电极层（6、7）电连接。本发明方法的特征在于，沟槽（8、9）通过如下方法之一用膏泥（10、11）填充：丝网印刷、浸渍、喷涂或者真空渗透。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造压电执行器的方法以及一种压电执行器。
背景技术
由相叠地堆叠的压电元件构成的器件称为（压电）堆叠。压电元件的功能基于例如锆钛酸铅的压电陶瓷材料的变形和电场的作用。如果将电压施加到压电元件，则该压电元件在垂直于由电压产生的电场的方向上扩展。单个压电元件具有比较小的调节行程（Stellweg），因此对于较大的调节行程使用由多个交替地相继的压电层和所谓的内电极层构成的压电堆叠。
内电极层通常交替地与布置在压电堆叠的相对的外面处的外电极电连接。与两个外电极之一电连接的内电极层因此引至在其处布置有该外电极的外侧以与该外电极电连接。为了内电极层与另一外电极电绝缘，内电极层不达到压电堆叠的、在其处布置有该另一外电极的外侧。在该区域中，内电极层从该外侧缩回。这例如通过如下方式实现，即压电堆叠在该区域中配备有填充硅树脂、塑料或者漆的缝隙。
通过缩回的内电极层，在分配给该区域的压电层中得到所谓的非活性区，该非活性区在施加到外电极或内电极层的电压的情况下由降低的电场强度通过并且因此在所施加的电压的情况下没有压电层的其余的所谓活性区那么强地伸展。这尤其是在非活性区和非活性区的边缘区域中导致机械应力，并且可能导致压电层的非活性和活性区中的以及外电极中的所谓的极化裂缝。在此，非活性区越大，极化裂缝的风险就越大。
为了能够提供具有压电堆叠的压电执行器，其中构造尽可能小的非活性区，DE 10 2006 011 293 A1建议一种方法，该方法基于对全活性的未烧结堆叠（Grünstapel）进一步处理。
由多个未烧结膜（压电层）和布置在其间的导电层构成的未烧结堆叠（压电堆叠）称为全活性的未烧结堆叠（或全活性的压电堆叠），其中导电层构成堆叠的内电极层并且连续地构造直到堆叠的外侧。这样的全活性的未烧结堆叠（压电堆叠）因此不具有非活性区，而是仅仅具有活性区，也就是说全活性的未烧结堆叠（压电堆叠）的布置在两个内电极层之间的未烧结膜（压电层）在其一侧上被一个内电极层完全覆盖并且在其另一侧上被另一内电极层完全覆盖。这样的全活性的压电堆叠的优点是其借助于已知过程步骤的比较简单的制造。
内电极层被设置用于交替地与要布置在由未烧结堆叠产生的压电堆叠的外侧处的外电极电连接。但是为了内电极层仅仅与为其设置的外电极电连接并且与另一外电极保持电绝缘，为外侧的、在其处稍后布置另一外电极的区域配备沟槽。通过所述沟槽，内电极层在所述区域中从全活性的未烧结堆叠的相应外侧缩回，由此在所述区域中产生最小的非活性区。为了在稍后安置外电极时内电极层还仅仅与所设置的外电极电连接，所述沟槽在安置外电极之前用电绝缘的膏泥、即由陶瓷粉末和胶合剂构成的液态混合物填充。
利用在DE 10 2006 011 293 A1中所建议的方法，所述沟槽并且因此配备有沟槽的压电堆叠的非活性区可以被确定尺寸为，使得它们不比为了内电极层与相应的外电极的良好电绝缘而一定所需的大。由此，该压电堆叠的非活性区可以被实施得最小，由此减小了产生极化裂缝的风险。
为了制造沟槽，DE 10 2006 011 293 A1建议使用激光。该方式的缺点在于，通过在所述区域中对沟槽进行激光处理，未烧结堆叠中的有机物烧掉。在此，陶瓷可以在形成如ZrO2和TiO2的耐火初级氧化物的情况下被部分地分解。该烧尽的材料必须接着完全从沟槽中被除去，以便确保对沟槽的无孔和无裂缝的回填。这仅以高耗费是可能的，其中损坏压电堆叠的风险同时是高的。
为了将膏泥引入到沟槽中，DE 10 2006 011 293 A1建议同样动用为了产生沟槽所使用的激光方法。该处理方式的缺点在于，该方法比较费时并且是高成本的，因为通过激光制造沟槽必须顺序地进行。
发明内容
本发明的任务是说明一种方法，利用该方法能够通过较简单的方式来制造具有带有尽可能小的非活性区的压电堆叠的压电执行器。本发明的另一任务在于说明一种压电执行器。
所述任务通过根据权利要求1的特征的方法以及根据权利要求13的特征的压电执行器来解决。
用于制造具有压电堆叠和布置在压电堆叠的外侧处的两个外电极的压电执行器的本发明方法基于在DE 10 2006 011
293 A1中描述的方法。该方法包括步骤：提供由多个交替地相继的未烧结膜和连续的内电极层构成的全活性的未烧结堆叠，所述内电极层被设置用于交替地与要布置在要由未烧结堆叠制造的压电堆叠的外侧处的两个外电极电连接并且与相应的另一外电极电绝缘。使所述全活性的未烧结堆叠的外侧在如下区域中配备沟槽，在所述区域中内电极层应与相应的外电极电绝缘，从而沟槽使内电极层在所述区域中从未烧结堆叠的外侧向内缩短。用电绝缘的膏泥填充沟槽。继续处理其沟槽用膏泥填充的未烧结堆叠，使得由未烧结膜形成压电层并且由未烧结堆叠形成压电堆叠。将两个外电极施加到压电堆叠的外侧上，使得两个外电极交替地与内电极层电连接。根据本发明，沟槽通过如下方法之一用膏泥填充：丝网印刷、浸渍、喷涂或者真空渗透。
用于用膏泥填充沟槽的本发明方法具有的优点是，可以通过简单的方式将膏泥通过简单的和均匀的方式施加到配备有沟槽的未烧结堆叠上。另一优点在于，在用电绝缘的膏泥充填沟槽时可以实现高的均匀性。这尤其是在使用丝网印刷方法时适用，在所述丝网印刷方法的情况下，应被引入到沟槽中的膏泥的量可以以定义的方式被确定。
通过在全活性的压电器件中用陶瓷膏泥填充沟槽形成非常小的非活性区。所述非活性区可以被确定尺寸为，使得其不比为了内电极层与相应的外电极的良好电绝缘而一定所需的大。形成极化裂缝的风险由此可以被减小。
在一个适宜的构型中，除了用膏泥填充沟槽以外，用膏泥占据压电堆叠的表面以构造具有膏泥的钝化层。由此可以省去施加钝化层的在其它情况下附加地需要的步骤。在此，利用根据本发明所使用的用于施加膏泥的方法，确保可以均匀地施加钝化层的层厚度。如果通过丝网印刷方法施加膏泥，则例如在机床中旋转未烧结堆叠，直至所有要加工的表面侧用膏泥占据并且是钝化的。
尤其是规定，在共同的处理步骤中填充沟槽和将钝化层施加到具有膏泥的压电堆叠的表面上。
在填充了沟槽并且可选地将膏泥施加到压电堆叠的表面上以后，未烧结堆叠以已知的方式经历去胶合剂和烧结的过程步骤，使得由未烧结膜形成压电层。于是，通过去胶合剂和烧结，由准全活性的未烧结堆叠形成准全活性的压电堆叠，该准全活性的压电堆叠在后面在对具有沟槽的侧进行机械加工（例如借助于研磨）之后可以配备外电极。
根据另一适宜的构型，通过热压印来对全活性的未烧结堆叠的外侧配备沟槽。通过在这些位置处对沟槽进行激光处理，未烧结堆叠中的有机物由于过高的温度烧掉，由此陶瓷在形成耐火初级氧化物的情况下可以被部分地分解，而在使用热压印方法的情况下可以与此相比以明显更低的温度产生沟槽。在此，沟槽可以在不形成烧尽材料的情况下被引入到未烧结堆叠中。因为将沟槽引入到未烧结堆叠中，因此相对于引入到已经烧结的压电堆叠中得出电极的更好的光学识别。在未烧结堆叠的情况下，在烧结的过程步骤之前的尺寸比在该热加工步骤之后大大约20％。
对于热压印方法来说，使用如下凸模，该凸模具有凸起的与要产生的沟槽的数量和布置相对应的数量和布置。在此，凸起的间距对应于堆叠的每两个内电极之间的间距。利用这样的凸模尤其可能的是，在唯一的方法步骤中产生压电堆叠的外侧的所有沟槽。
根据另一适宜的构型，使膏泥中的陶瓷颗粒的压缩特性（Verdichtungsverhalten）与压电堆叠的压缩特性匹配。这种方式所基于的想法是，未烧结堆叠的陶瓷在比在烧结的过程步骤期间沟槽中的陶瓷膏泥低的温度下压缩。对此的理由一方面是，未烧结堆叠通过相叠地布置的未烧结膜的层压而已经被预压缩并且因此具有较高的未烧结密度。另一方面，银扩散到由AgPd组成的电极中有利于较低温度下的压缩。在烧结期间的不同的压缩特性可导致沟槽区域中的裂缝形成。在最糟的情况下，可由此引起所接触的压电堆叠中的短路。为了避免所述裂缝形成规定，膏泥中陶瓷颗粒的收缩特性与压电堆叠的收缩特性相匹配，所述压电堆叠的收缩特性由陶瓷成分的相应压缩得出。
为此，在第一变型方案中，在热处理（烧结）时向膏泥混合影响其收缩特性的剂。可以使用Ag、AgO或者PbO作为影响膏泥的收缩特性的剂。影响膏泥的收缩特性的剂尤其是占膏泥的0.05至1.00重量百分比，从而可以称为陶瓷粉末的“掺杂”。
在第二变型方案中，膏泥中的陶瓷颗粒的烧结活性通过降低粒度或者初级颗粒大小来提高。
在第三变型方案中，其沟槽用膏泥（无影响收缩特性的剂）填充的未烧结堆叠在液体池中被置于压力下，以便对布置在沟槽中的膏泥进行压制。在此，该过程管理在此优选这样进行，即对陶瓷膏泥进行等压的压制并且实现与相叠地布置的未烧结膜（即未烧结堆叠）近似相同的未烧结密度。因此，通过该方式实现位于沟槽中的膏泥的事后压缩。
这些上面详述的替换方案也可以（任意地）彼此组合，以便使沟槽中膏泥的收缩特性与未烧结堆叠的收缩特性相匹配。
根据另一适宜的构型，用膏泥对沟槽的填充以多个步骤进行，由此实现未烧结堆叠在要施加的外电极的区域中的平坦表面。
本发明此外提出一种具有压电堆叠和布置在压电堆叠的外侧处的两个外电极的压电执行器，该压电执行器根据前述方法被制造。
附图说明
在下面根据实施例更详细地阐述本发明。
图1a）和1b）分别以剖开的侧视图示出根据第一实施例的本发明压电执行器，
图1c）以剖开的俯视图示出根据图1a）和1b）的本发明压电执行器，
图2a）和2b）分别以剖开的侧视图示出根据第二实施例的本发明压电执行器，和
图2c）以剖开的俯视图示出根据图2a）和2b）的本发明压电执行器。
具体实施方式
在当前实施例的情况下，在图1和2中示出的压电执行器100的起点是在俯视图中分别实施为方形的全活性的未烧结堆叠1’，其具有多个未烧结膜4’、5’和布置在其间的内电极层6、7（参见图1c）和2c））。未烧结堆叠1’用一般已知的方式通过内电极层和未烧结膜的交替堆叠产生。未烧结膜4’、5’包括压电陶瓷材料，例如锆钛酸铅。所述内电极层6、7例如是导电金属层，该导电金属层连续地通过未烧结堆叠1’，也就是连续地构造直到未烧结堆叠1’ 的外侧，使得未烧结堆叠1’最初不具有非活性区，而是仅具有活性区。内电极层6、7被设置用于交替地与布置在要由未烧结堆叠1’制造的压电堆叠1的外侧处的两个外电极2、3电连接并且与相应的另一外电极3、2电绝缘。
为了制造压电执行器100，在未烧结堆叠1’的至少一个外侧上设置沟槽8、9，使得由全活性的未烧结堆叠1’形成具有非活性区的堆叠。在图1和2中示出的两个实施例中，在未烧结堆叠1’的相对的外侧上设置沟槽8、9。在图1的实施例中相应的沟槽相对于其外侧布置在中央（尤其是参见图1c）的剖面图），而在图2中所示的实施例中沟槽8、9布置在相对的外面的倾斜相对的侧边的区域中（参见图2c））。
未烧结堆叠1’的相应外侧这样配备有沟槽8或9，使得每个内电极6由于沟槽8而缩回到未烧结堆叠1’的内部并且剩余的内电极7完全保持引向相关的外侧。通过相应的方式，沟槽9在另一外侧上实施为，使得内电极7分别缩回到未烧结堆叠1’的内部，而内电极6引向该外侧。因此，在图1和2中的所示实施例的情况下，沟槽8被分配给内电极6并且沟槽9被分配给内电极7。
在当前的实施例的情况下，沟槽8、9优选通过热压印（Heißprägen）来产生。为此在提高的温度下用凸模对相关的外侧上的未烧结堆叠1’施加压力（T>未烧结堆叠中的聚合物胶合剂的玻璃转变温度Tg，典型地20-200℃）。该凸模具有凸起的与要产生的沟槽8、9的数量和布置相对应的数量和布置，由此在所述凸起的区域中使未烧结堆叠1’变形以构造沟槽。凸起的间距在此对应于内电极层6或7的间距。
借助于热压印方法可以在（与激光相比仅仅轻微提高的）温度和压力下将沟槽引入到未烧结堆叠1’中。在此，在没有形成烧尽材料的情况下引入沟槽。在当前的未烧结堆叠1’的情况下应用热压印方法使得基于未烧结堆叠1’相对于已经烧结的压电堆叠1的较大尺寸而能够更好地光学地识别电极，从而可以通过简单和可靠的方式执行该方法。
可替换地，还可以通过激光烧蚀、用（多重）圆锯片锯、微铣削、拉削、超声波侵蚀以及喷水、喷沙或者喷CO2来引入沟槽。
接着，用电绝缘的陶瓷膏泥10或11来填充沟槽8、9。用膏泥10、11填充沟槽8、9优选通过丝网印刷、浸渍、喷涂或者真空渗透来进行。在此，优选同时用膏泥占据未烧结堆叠1’的表面以构造钝化层。使用陶瓷膏泥作为沟槽的填充材料使得能够制造具有均质的压电堆叠1的压电执行器100，其中在烧结之后在填充了膏泥的沟槽与未烧结膜4’、5’之间不形成分离线。由此可以避免极化裂缝。
通过丝网印刷方法来施加膏泥已证明为特别优选的，因为由此可以实现在用膏泥填充的沟槽8、9以及钝化层12、13方面的均质的层厚度。为此，在机床中相应地旋转要处理的未烧结堆叠1’，使得可以在堆叠的所有外侧上实现丝网印刷。
在将膏泥10、11引入到沟槽8、9中以及可选地产生钝化层12、13之后，执行去胶合剂、烧结和机械加工（例如研磨）的过程步骤，由此形成压电堆叠1。接着，两个外电极2、3被施加到压电堆叠1的相应的外侧上，使得两个外电极2或3与内电极层6或7电连接。
外电极2、3作为外金属化部沿着压电堆叠1的相关外侧被施加。在此，外电极2与内电极层7连接。外电极3与内电极层6电连接。外电极2、3分别比沟槽8、9的宽度窄并且在用膏泥10、11填充的沟槽8、9上延伸，使得外电极2、3与内电极层6、7电绝缘。沟槽8、9的深度、宽度和高度被选择为，使得它们结合电绝缘的膏泥10、11确保了内电极6或7与外电极3或2的可靠的电绝缘。
只要在其上产生了沟槽的外面上配备有钝化层，则该钝化层经历先前的机械加工（例如研磨），以便暴露出与相关外侧毗邻的内电极层6、7。接着才产生外电极2、3。
未烧结堆叠1’、即未烧结膜4’和5’的陶瓷在比在沟槽8、9中的膏泥中的陶瓷颗粒低的温度下烧结时压缩。这一方面原因在于，未烧结堆叠1’由于相叠地分层的未烧结膜4’、5’的层压而已经被预压缩，并且因此具有较高的未烧结密度。另一方面，从由AgPd组成的电极的银扩散有利于在较低温度下的未烧结堆叠1’的压缩。不同的压缩特性可导致沟槽中膏泥的裂缝形成并且因此引起制成的压电堆叠中的短路。
而如果在未烧结堆叠1’和在膏泥中的陶瓷成分在近似相同的温度下压缩，则可以避免沟槽中的陶瓷的裂缝形成。因此，为了避免裂缝形成，膏泥中陶瓷颗粒的压缩特性被与未烧结堆叠1’中的陶瓷的压缩特性匹配。这可以通过将银、氧化银或者氧化铅添加到膏泥来进行。在此，添加0.05至1.00重量百分比范围内的影响收缩特性的剂是足够的。可替换地，可以提高陶瓷颗粒的烧结活性，其方式是，动用更细的初级颗粒大小或粒度。
另外可替换地，可以在位于沟槽中的膏泥干燥以后实现其事后的压缩。为此例如可以在液体池中执行等压的压制过程。结果，所述变型方案导致沟槽中的膏泥的、与未烧结堆叠1’更好地匹配的未烧结密度，由此收缩特性相互匹配并且烧结活性提高。就此而论，有利的是，将膏泥以多个子步骤引入到沟槽8、9中，以便获得堆叠外侧的平坦的表面。
可替换地，还可以采用前述方法的组合，以便使沟槽中膏泥的收缩特性与未烧结堆叠的收缩特性匹配。
Claims (13)
1.用于制造具有压电堆叠（1）和布置在压电堆叠（1）的外侧处的两个外电极（2、3）的压电执行器（100）的方法，具有步骤：
－ 提供由多个交替地相继的未烧结膜（4’、5’）和连续的内电极层（6、7）构成的全活性的未烧结堆叠（1’），所述内电极层被设置用于交替地与要布置在要由未烧结堆叠（1’）制造的压电堆叠（1）的外侧处的两个外电极（2、3）中的各一个电连接并且与相应的另一外电极（2、3）电绝缘，
－ 所述全活性的未烧结堆叠（1’）的外侧在如下区域中配备沟槽（8、9），在所述区域中内电极层（6、7）应与相应的外电极（2、3）电绝缘，从而沟槽（8、9）使内电极层（6、7）在所述区域中从未烧结堆叠（1’）的外侧向内缩短，
－ 用电绝缘的膏泥（10、11）填充沟槽（8、9），
－ 继续处理其沟槽（8、9）用膏泥（10、11）填充的未烧结堆叠（1’），使得由未烧结膜（4’、5’）形成压电层（4、5）并且由未烧结堆叠（1’）形成压电堆叠（1），
－ 将两个外电极（2、3）施加到压电堆叠（1）的外侧上，使得两个外电极（2、3）交替地与内电极层（6、7）电连接，
其特征在于，
－ 沟槽（8、9）通过如下方法之一用膏泥（10、11）填充：丝网印刷、浸渍、喷涂或者真空渗透。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，除了用膏泥（10、11）填充沟槽（8、9）之外，用膏泥（10、11）占据未烧结堆叠（1）的表面以构造具有膏泥（10、11）的钝化层（12、13）。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在共同的处理步骤中填充沟槽（8、9）和将钝化层（12、13）施加到具有膏泥（10、11）的压电堆叠（1）的表面上。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，通过热压印来对全活性的未烧结堆叠（1’）的外侧配备沟槽（8、9）。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，使用凸模，该凸模具有凸起的与要产生的沟槽（8、9）的数量和布置相对应的数量和布置。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，使膏泥（10、11）中的陶瓷颗粒的压缩特性与压电堆叠（1）的压缩特性匹配。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，在热处理时向膏泥（10、11）混合影响其收缩特性的剂。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，使用Ag、AgO或者PbO作为影响膏泥的收缩特性的剂。
9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于，影响膏泥的收缩特性的剂占膏泥的0.05至1.00重量百分比。
10.根据权利要求6至9之一的方法，其特征在于，膏泥（10、11）中的陶瓷颗粒的烧结活性通过降低粒度或者初级颗粒大小来提高。
11.根据权利要求6至10之一的方法，其特征在于，其沟槽（8、9）用膏泥（10、11）填充的未烧结堆叠（1’）在液体池中被置于压力下，以便对布置在沟槽（8、9）中的膏泥（10、11）进行压制。
12.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，用膏泥（10、11）对沟槽（8、9）的填充以多个步骤进行。
13.具有压电堆叠（1）和布置在压电堆叠（1）的外侧处的两个外电极（2、3）的压电执行器，该压电执行器根据前述权利要求之一被制造。
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