CN103003970A - 压电多层执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电多层执行器（100），其具有堆叠（1），该堆叠包括相叠设置的压电层和在其间交替地堆叠设置的第一电极层（2）和第二电极层（3）构成，它们从该堆叠（1）的第一侧面和第二侧面（4，5）延伸进该堆叠（1）中并且重叠成堆叠（1）。在所述第一侧面（4）上设置有与所述第一电极层（2）电接触的第一接触元件（6），而在所述第二侧面（5）上设置有与所述第二电极层（3）电接触的第二接触元件（7）。第一接触元件和第二接触元件（6，7）分别具有金属丝布，其中至少一个金属丝布具有斜纹组织。
Description
技术领域
说明了一种压电多层执行器，该堆叠包括压电层和设置于其间的电极层。
背景技术
在出版物DE 10 2006 026 643 A1中描述了一种压电执行器。
发明内容
至少一些实施形式的任务是说明一种带接触元件的压电多层执行器，该接触元件使得可以尽可能可靠且低成本地进行电接触。
该任务通过具有独立权利要求的特征的主题来解决。此外，该主题的改进方案和有利实施形式从以下描述和附图中得到。
根据至少一个实施形式的压电多层执行器尤其是具有堆叠，该堆叠包括相叠设置的压电层和在其间交替地堆叠设置的第一电极层和第二电极层，第一电极层和第二电极层从该堆叠的第一侧面和第二侧面延伸进该堆叠中并且重叠成堆叠。此外，在第一侧面上设置有与第一电极层电接触的第一接触元件，而在第二侧面上设置有与第二电极层电接触的第二接触元件。
在建立压电多层执行器的构建为内部电极的电极层与电激励装置的电极之间的可靠电接触时，技术上的困难尤其在于：第一接触元件和第二接触元件形式的接触应不受压电多层执行器的频繁偏移(亦即：在将压电多层执行器应用于发动机的喷射系统中时典型为大于109次偏移)而损伤，并且接触应对压电多层执行器的运动的影响尽可能小。实现可靠接触的问题特别是由于压电多层执行器的裂纹附近出现的高伸展而变得尖锐。附加地，根据使用目的，有时在温度稳定性、避免沾污和压电多层执行器受接触的安置损伤方面以及在低材料和工艺成本方面对接触有高要求。在许多应用中，纤细的（即节约位置的）接触的结构形式会是必要的和/或是有利的。
为了外部接触多层压电执行器，存在大量的不同技术方案。典型的方案例如在于，借助软焊（Weichlötung）将所谓的丝线筛（Drahtharfe）固定在外部金属化部上。然而，该接触方式不利地与高位置需求和焊料的沾污相联系。此外，公开了焊料接触（Lotkontaktierung），其应满足在材料、结构（例如至板、滤网或丝线筛的引线）、几何形状等等方面的十分特别的设计规范。此外，例如也公知了焊接接触。
根据在此所描述的压电多层执行器的一个特别优选的实施形式，接触元件分别具有金属丝布。在此以及在下文中，金属丝布也可以称作金属丝网。
根据另一实施形式，第一接触元件和第二接触元件通过相应的金属丝布而具有接触第一电极层和第二电极层的弹性结构。
第一接触元件和第二接触元件在压电层的堆叠上的布置在此例如借助低温焊（anlöten）来进行。例如，在第一侧面上和在第二侧面上各设置有一电接触层，其中第一接触元件和第二接触元件例如通过钎焊分别固定在电接触层之一上。例如，在涂覆这样的电接触层（其也称为基本金属化层）时金属膏被压印到第一侧面和第二侧面上，接着被干燥并且最后被煅烧。为了将接触元件钎焊到接触层上可以使用焊料（例如铜-锡焊料）。
根据另一实施形式，用于进一步接触的触针被集成到两个金属丝布中的至少一个中或分别集成到两个金属丝布之一中。例如可通过绞合线、引线（Pin）或膨胀金属（Streckmetall）形成的触针例如通过钎焊或焊接与金属丝布机械和电连接。优选地，第一接触元件或第二接触元件和集成到接触元件的金属丝布中的触针在共同的钎焊步骤中施加到包括压电层和设置于其间的电极层的堆叠上。
根据另一实施形式，接触元件可以分别具有编织的或编结的金属带或编织的或编结的金属线。
本发明人已发现：接触元件的材料特性即线的相应组织的特性决定性地确定了压电多层执行器的使用寿命和失效模式（Fehlermodus）。这尤其适于要求高伸展的执行器应用。此外，热膨胀系数和/或弹性模量（也称作E模量）有利地与压电层的堆叠的相应特性匹配，其中该堆叠例如可以具有合适的压电陶瓷材料。
此外，第一接触元件和第二接触元件的特性如抗拉强度、断裂伸长和屈服点可以有利地证明为重要参数。此外，例如也可能的是，与已知的接触可能性相比在不改变线组成成分的情况下可以仅通过网孔复合结构的方式已有利地延长压电多层执行器的使用寿命。
根据一个实施形式，第一接触元件和第二接触元件的金属丝布的至少一个具有亚麻组织（Leinenbindung），亚麻组织也可称作平纹组织或平滑联结（glatte Bindung）。
根据另一特别优选的实施形式，至少一个金属丝布具有体结合。如果更为疏松地选择网孔复合结构（Maschenverbund），例如通过斜纹组织代替亚麻组织，则在线制造期间并且在应用领域中的伸展情况下出现较小的线负荷。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有200000 MPa的弹性模量。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有大于或等于500 N/mm2的抗拉强度，其中在此以及在下文中所说明的范围的边界分别一同包括。在关于压电多层执行器的应用中的可靠性方面的各种测试中，本发明人已发现：与具有抗拉强度较小的金属丝布构成的接触元件的多层执行器相比通过使用尤其具有大于或等于500
N/mm2的金属丝布可以显著地延长多层执行器的使用寿命。
优选地，所述至少一个金属丝布具有大于或等于500 N/mm2且小于或等于850 N/mm2的抗拉强度。
在另一实施形式中,所述至少一个金属丝布具有大于或等于500
N/mm2且小于或等于700 N/mm2的抗拉强度。在另一实施形式中,接触元件的金属丝布具有大于或等于650
N/mm2且小于或等于850 N/mm2的抗拉强度。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有大于或等于380 N/mm2的屈服点。在另一实施形式中,所述至少一个金属丝布具有大于或等于380
N/mm2且小于或等于550 N/mm2的屈服点。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有大于或等于20%的断裂伸长。在大机械应力的情况下关于压电多层执行器的接触的可靠性方面的各种测试中表明:由具有大于或等于20%的断裂伸长的金属丝布构成的接触元件已实现特别良好的效果。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有30%到35%的范围中的断裂伸长。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有大于或等于1.1•10-5的热膨胀系数。本发明人已发现：通过使用具有大于或等于1.1•10-5的热膨胀系数的金属丝布可以显著地降低压电多层执行器的接触的失效敏感性。
在另一实施形式中,所述至少一个金属丝布具有大于或等于1.1•10-5且小于或等于1.60•10-5的热膨胀系数。
在另一实施形式中,所述至少一个金属丝布具有大于或等于0.1mm且小于或等于0.3mm的筛孔尺寸。大于或等于0.15mm且小于或等于0.2mm的筛孔尺寸，例如0.18mm的筛孔尺寸可以证明是特别有利的。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有大于或等于0.03mm且小于或等于0.3mm的线材直径，优选大于或等于0.02mm且小于或等于0.1mm的线材直径。例如0.056mm或0.080mm的线材直径可以证明是特别有利的。
根据另一实施形式，线材直径与所述至少一个金属丝布的筛孔尺寸之比在0.3到0.45之间的范围中。已表明的是，线材直径与筛孔尺寸之比在上面所述的范围中的金属丝布在压电多层执行器应用时具有特别小的线负荷。
优选地，在压电多层执行器的堆叠中每个两个彼此直接相邻的第一电极层或每个两个彼此直接相邻的第二电极层的距离优选在60μm到65μm的范围中并且特别优选为大约62μm。
根据另一实施形式，筛孔尺寸与每两个彼此直接相邻的第一电极层或每两个彼此直接相邻的第二电极层的距离之比在2.5到3.5之间的范围中。由此，一方面可以实现压电多层执行器的接触元件的弹性结构而另一方面可以实现压电多层执行器的可靠的接触。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有奥氏体不锈钢。
根据另一实施形式，所述至少一个金属丝布具有镍铬合金。在此，所述至少一个金属丝布特别优选地具有镍铬合金，其镍与铬之比在80到20。
根据另一实施形式，第一接触元件和第二接触元件的金属丝布具有相同特征和/或所述实施形式的相同特征的组合。优选地，第一接触元件和第二接触元件相同地实施。
在此所描述的多层执行器有利地具有用于压电多层执行器的接触的特别并且弹性的结构，其有利地能够实现在压电多层执行器与进一步接触的部件之间的相对运动，例如局部相对运动。这样可能的是，通过线的材料特性譬如提高屈服点和/或抗拉强度以及可替选地或附加地通过疏松网孔复合结构有效且技术上可容易实现地解决了由于压电多层执行器的大轴向伸展引起的接触的大机械应力的问题。
附图说明
所说明的压电多层执行器的其他优点和有利实施形式从以下结合图1至图4所描述的实施形式中得到。
其中：
图1示出了根据一个实施例的压电多层执行器的示意图，
图2示出了各种金属丝布的力应变图，
图3和图4分别示出了包括压电层和设置于其间的电极的堆叠。
具体实施方式
在图1中示出了根据一个实施例的压电多层执行器10，该压电多层执行器10具有堆叠1，该堆叠1包括相叠设置的压电层和在其间交替地堆叠设置的第一电极层2和第二电极层3。第一电极层2和第二电极层3从堆叠1的第一侧面4和第二侧面5延伸进该堆叠1中并且重叠成堆叠1。在堆叠2的第一侧面4上设置有与第一电极层2电接触的第一接触元件6，而在堆叠2的第二侧面5上设置有与第二电极层3电接触的第二接触元件7。接触元件6、7分别具有金属丝布。
这两个接触元件6、7可以分别固定在接触层（未示出）上，该接触层被压印到堆叠2的第一侧面4和第二侧面5上。接触层在此例如以金属膏的形式被施加到堆叠2的侧面4、5上，接着被干燥并且随后被煅烧。接触元件6、7固定在接触层上优选通过钎焊来进行。
此外，可以将用于进一步接触的触针（未示出）集成到两个金属丝布中的至少一个中，尤其优选各一个触针集成到两个金属丝布中。例如，例如可通过接触引线或绞合线形成的触针通过钎焊或焊接与金属丝布机械和电连接。
接触元件6、7的金属丝布中的至少一个以体结合形式编织或编结。斜纹组织的优点通过例如与亚麻组织或平纹组织相比更小的网孔复合结构来展现。在体结合的情况下丝线已在编织时承受较小负荷。
在图2中还示出了与具有斜纹组织的金属丝布相对的、也可称作滤网的具有平滑联结（即平纹组织）的金属丝布之间的力应变图中的差异。在此，伸展行程L（以毫米为单位）绘制在水平轴上而要施加的力F（以牛顿N为单位）绘制在垂直轴上。具有平滑联结的金属丝布的力应变曲线用11和12表示，而具有体结合的金属丝布的力应变曲线用13和14表示。如从图2中可看到的那样，在斜纹组织的情况下对于5mm的伸展行程要施加的力与在平滑联结的情况相比大约为十分之一。疏松网孔复合结构因此表现得更有弹性。
在所示的实施例中证明为特别有利的是：两个金属丝布具有体结合。
此外，特别有利的是，两个金属丝布中的至少一个或两个金属丝布都具有如下特征中的至少一个或多个：
- 200000MPa的弹性模量，
- 大于或等于500 N/mm2且小于或等于850N/mm2的抗拉强度，
- 大于或等于380 N/mm2且小于或等于550 N/mm2的屈服点，
- 大于或等于30%且小于或等于35%的断裂伸长，
- 大于或等于1.36•10-5且小于或等于1.60•10-5的热膨胀系数,
- 大于或等于0.03mm且小于或等于0.3mm的线材直径，
- 大于或等于0.1 mm且小于或等于0.3mm的筛孔尺寸，
- 在0.3到0.45之间的范围中的线材直径与筛孔尺寸之比。
此外，每个两个彼此直接相邻的第一电极层2或每个两个彼此直接相邻的第二电极层3的距离优选在60μm到65μm的范围中并且特别优选为大约62μm。
此外有利的是，至少一个金属丝布的筛孔尺寸与每两个彼此直接相邻的第一电极层2和每两个彼此直接相邻的电极层3的距离之比在2.5到3.5之间的范围中。
特别有利地，尤其是也可以将至少一个金属丝布或两个金属丝布的上述特征。尤其是，第一接触元件6和第二接触元件7已证明是特别有利的，它们具有以下称作实施例A的特征组合。两个接触元件6、7具有由奥氏体不锈钢以体结合形式构成的金属丝布。此外，金属丝布具有200000MPa的弹性模量、大于或等于500N/mm2且小于或等于700N/mm2的抗拉强度以及380N/mm2的屈服点。接触元件6、7的金属丝布的断裂伸长大于或等于30%且小于或等于35%并且其热膨胀系数为1.60•10-5。此外，金属丝布的筛孔尺寸为0.18mm并且线材直径为0.056mm。
根据另一证明为特别有利的实施例（其在下文中称作实施例B），接触元件6、7的金属丝布具有镍铬合金，其中镍与铬之比为80到20。接触元件6、7的金属丝布具有200000MPa的弹性模量、大于或等于650 N/mm2且小于或等于850
N/mm2的抗拉强度以及550 N/mm2的屈服点。接触元件6、7的金属丝布的断裂伸长为30%并且热膨胀系数在1.36•10-5左右。接触元件6、7的金属丝布的筛孔尺寸为0.18mm并且线材直径为0.080mm。
为了证明在压电多层执行器的应用中的可靠性需要各种能量受控的测试。通常，在频率为83 Hz且温度为80℃以及伸展达2.4%的情况下进行过载测试。
发现：常规线材料的使用从2•108次循环起会导致压电层的失效，其中常规材料与实施例A和B的线材料相比具有更小的抗拉强度和更小的断裂伸长。这样的失效例如会是由于在压电层中在两个位于所谓的隔离区（Isozone）的区域中的两个断裂部位之间的纵向裂纹造成的，其中在堆叠1内的其中分别对置的第一电极层2和第二电极层3未重叠的区域称作隔离区。
在图3和图4中示出了由压电层中的损伤引起的这种失效。该失效通过偏移和/或容积的下降来确定，因为堆叠段短路。
与具有与实施例A和B的线材料相比更小的抗拉强度和更小的断裂伸长的线材料构成的常规金属丝布接触的由压电层构成的堆叠在-40℃和+70℃交变地在大于1.5%的伸展的情况下被驱动，在该受激励的温度变化测试中典型地已在数个温度循环之后作为失效原因出现筛网裂纹。
在对具有堆叠1的压电多层执行器的可靠性测量中，直至在5•108次循环范围中不再出现陶瓷缺陷，其中压电多层执行器具有第一接触元件6和第二接触元件7作为接触部，第一接触元件6和第二接触元件7分别具有根据实施例A的金属丝布，作为金属复合结构。通过提高抗拉强度和断裂伸长因此可以有利地避免对堆叠的压电层的损伤。
失效率（现在主要在大于2.0%的过载范围中产生）最多还通过筛网裂纹来确定。
利用根据实施例B的金属丝布的接触，尤其是屈服点和抗拉强度的提高在耐久性方面已证明是特别有利的。在此，具有根据实施例B的线材料的金属丝布有利地以根据实施例A的金属丝布的正面特性为基础。
尤其，在实验中会表明：在这里所描述的压电多层执行器中可以避免由裂纹引起的对压电层的损伤，这尤其是归因于提高的断裂伸长和提高的抗拉强度。
此外，会表明：通过扩宽线材料可逆地对力作用作出反应的扩展范围可以避免筛网裂纹。
本发明并不会由于参照实施例的描述而限制于此，而是包括任何新特征以及特征的任意组合。这尤其包含了权利要求中的特征的任意组合，即使这些特征或这些组合本身并未明确地在权利要求中或在实施例中予以说明。
Claims (15)
1.一种压电多层执行器（100），
- 具有堆叠（1），所述堆叠（1）包括相叠设置的压电层和设置于其间的第一电极层（2）和第二电极层（3），
- 其中第一电极层（2）从所述堆叠（1）的第一侧面（4）延伸进所述堆叠（1）中并且所述第二堆叠层（3）从所述堆叠（1）的第二侧面（5）延伸进所述堆叠（1）中，
- 其中所述第一电极层（2）和所述第二电极层（3）重叠成所述堆叠（1），
- 其中在所述第一侧面（4）上设置有与所述第一电极层（2）电接触的第一接触元件（6），而在所述第二侧面（5）上设置有与所述第二电极层（3）电接触的第二接触元件（7），
- 其中所述第一电极元件和所述第二电极元件（6，7）分别具有金属丝布，
- 其中至少一个金属丝布具有体结合。
2.根据权利要求1所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有如下材料，亦即：所述材料具有大于或等于380 N/mm2的屈服点。
3.根据权利要求1或2所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有如下材料，亦即：所述材料具有大于或等于500 N/mm2的抗拉强度。
4.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有如下材料，亦即：所述材料具有大于或等于20%的断裂伸长。
5.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有如下材料，亦即：所述材料具有大于或等于1.1•10-5的热膨胀系数。
6.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有如下材料，亦即：所述材料具有大约200000MPa的弹性模量。
7.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有大于或等于0.1 mm且小于或等于0.3 mm的筛孔尺寸。
8.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有如下材料，亦即：所述材料具有大于或等于0.03 mm且小于或等于0.3mm的线材直径。
9.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有在0.3到0.45之间的范围中的线材直径与筛孔尺寸之比。
10.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有筛孔尺寸并且该筛孔尺寸与每两个彼此直接相邻的第一电极层（2）或每两个彼此直接相邻的第二电极层（3）的距离之比在2.5到3.5之间的范围。
11.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有奥氏体不锈钢或镍铬合金。
12.根据权利要求11所述的多层执行器，
- 其中所述至少一个金属丝布具有镍与铬之比在80到20的镍铬合金。
13.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中所述第一接触元件和所述第二接触元件（6，7）被相同地实施。
14.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中在所述第一侧面和所述第二侧面（4，5）上分别设置电接触层，
- 其中将所述第一接触元件和所述第二接触元件（6，7）分别被钎焊在电接触层之一上。
15.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，
- 其中用于进一步接触的触针被集成到所述至少一个金属丝布中。
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