CN104145112B - 具有在壳体中布置的多层致动器和在致动器表面上恒定的极其低的泄露电流的致动器模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有在壳体(23)中布置的压电陶瓷多层致动器(1)的致动器模块(22)。因此在致动器表面上还在较长运行时长后没有提高传导性并且因此泄露电流上升，根据本发明提出，使得壳体(23)密封地闭锁并且多层致动器(1)和壳体(23)之间布置空间(24)，该空间用化学转化和/或粘合水的介质(21)部分填充或填充。
Description
技术领域
本发明涉及具有在壳体中布置的压电陶瓷多层致动器的致动器模块。
背景技术
已知压电陶瓷多层致动器1(参见图1)由压电的活动材料2，例如铅-锆酸盐-钛酸盐(PZT)的堆叠的薄层组成，其具有其间布置的有传导能力的内电极7，内电极例如交替地引导到致动器表面。基底金属化3粘合这个内电极7。由此内电极7电并联连接并且联合为两个组，该组表示多层致动器1的两个接头5。如果在接头5上放置电电压，则电压在所有内电极7上并行传输并且导致活动材料2的所有层中的电场，由此机械扭曲材料。所有这些机械扭曲的和在致动器的端面上作为可利用的延伸6和/或力供使用。
根据现有技术压电陶瓷多层致动器实施为单独体，即活动材料在烧结之前作为所谓的绿箔通过筛网印刷方法借助于贵金属膏设置有内电极，压制成致动器堆叠，热解并且然后烧结，由此产生单片的致动器。
致动器体的表面现在通过变形方法，一般通过焊接来加工。在致动器上(参见图2)在引出的内电极7的区域中例如通过电镀方法或筛网印刷金属膏涂覆基底金属化3。这个基底金属化3通过试驾金属化的外电极4例如结构化的平板、金属网或金属布来加强。在这个外电极4上焊接电接头5。在焊接接头5之前或之后致动器涂有电隔离涂层，其此外还保护致动器表面免受机械损伤。
图1示出根据现有技术的压电陶瓷多层致动器并且图2作为改善示出基底金属化3和接头5之间的外电极4。
这种致动器和外电极的构造和制造例如在EP 0844678B1，DE 3330538A1，DE4036287C2，US 5281885，US 4845399，US 5406164和JP 07-226541A中详细描述。
多层致动器的许多应用(下面一般还称为致动器)通过该要求，致动器可以在长时期上加载额定电压，而不改变其特性。典型的应用是放置和定位驱动，其必须驶向某个位置并且可能必须保持若干月和年。这个要求不可以用根据上面描述的现有技术的致动器来满足。
对此原因在于，通过高电场强在致动器表面上从环境中吸引相反的分子，通常水蒸汽。这些水蒸汽或多或少快速穿透所有已知聚合包封并且最终在致动器表面上导致更高传导性并且导致升高的泄露电流。泄露电流升高如此长直到通过同样升高的致动器温度建立水蒸汽吸收通过电场和通过致动器温度吸收的平衡。图8中的图表示出在时间上对于具有尺寸7×7×30mm3的致动器在2000V/mm的内部场强的情况下在标称实验室环境条件下运行的典型泄露电流。
如果使用陶瓷涂层或玻璃作为镀层，则水蒸汽通过涂层的微裂纹穿透，其由于运行致动器必然形成。
在金属壳体中用合适的浇铸材料重铸也不导致成果，因为浇铸材料中包含的或在封装步骤期间侵入的极端少水数量已足以触发效果。
在壳体的底部和盖子上总是必要的延伸接缝和接头或者连接线形成缺点，通过延伸接缝侵入湿气，接头或者连接线必须通过涂层或者壳体向外引导。使用用人工材料隔离的导线根据上面提及的理由不能实现目标。
发明内容
本发明以该任务为基础，如此改善具有在壳体中布置的压电陶瓷多层致动器的致动器模块，使得在致动器表面上甚至在较长运行时长之后没有提高传导性并且因此导致升高泄露电流。
根据本发明这个任务通过权利要求1所述的特征来解决。
以这样的方式，壳体密封地闭锁并且在多层致动器和壳体之间布置用化学转变和/或粘合水的介质部分填充或填充的空间，侵入的水蒸汽可以不导致提高传导性并且因此升高在致动器表面上的泄露电流。对于概念水也理解为水蒸汽。
通过密封地闭锁的壳体仅非常少的水或者水蒸汽到达壳体的内部中并且这个小数量然后由介质转变或粘合并且可以不沉积在致动器表面上。
存在适合的不同介质。在实施方式中介质反应地消耗水。优选介质包含聚氨酯或介质由粉碎干燥剂组成。
引导多层致动器的电接头到壳体中。壳体在优选实施方式中由壳体盖子，壳体护套和壳体底部组成。优选地电接头密封地并且电隔离地集成在壳体底部中。
这在扩展方案中以这种方式实现，壳体底部由金属制成并且电接头通过壳体底部中的玻璃套管或陶瓷套管导入到壳体的内部。玻璃套管实施为不透气和不透水的。
备选地壳体底部由陶瓷制成并且具有金属化的裂口，电接头焊接到裂口中。优选地壳体底部在外圆周上具有金属化区域，通过其实现壳体底部与壳体护套的严密密封的连接。
在实施方式中壳体盖子由陶瓷制成并且在外圆周上具有优选金属化的区域，通过其实现壳体盖子与壳体护套的严密密封的连接。
因此致动器可以无阻碍延伸并且这不会导致对壳体的损伤，壳体护套在优选实施方式中完全或部分由金属波纹管制成。
优选完全或部分由金属波纹管制成的壳体护套产生用于多层致动器的要求的机械预应力。
在实施方式中壳体护套完全或部分由陶瓷制成并且电接头布置在壳体底部和/或壳体盖子中。
壳体底部和/或壳体盖子还可以由柔性隔膜制成。在这种情况下可以省略金属波纹管。
优选地壳体底部，壳体护套和壳体盖子通过焊接，尤其是激光焊接，用金属焊剂的硬焊，用玻璃焊剂的焊接或软焊严密密封地连接。
具体实施方式
下面根据图3到7进一步解释本发明。
对于致动器模块由致动器1和壳体组成的单元。
规定，压电陶瓷致动器1嵌入到金属或陶瓷壳体23中，其中接头11是壳体底部10，17的构成整体的组成部分。接头可以例如借助于玻璃套管12相对环境气密地密封。壳体23例如借助于焊接13严密密封地闭锁。壳体形状如此选择，小机械预应力施加在致动器1上以便使其保持在位置上。壳体23必须至少部分地可下陷，因此它没有以太大的阻力与致动器1的冲程相对。这可以以这种方式来实现，壳体23，或者壳体护套9实施为金属波纹管或壳体23与金属隔膜隔绝。壳体的刚性优选地相对于致动器刚性较小。
在壳体23中给出介质21，介质固定或化学转变在隔断时锁住的水分子。对于泄露电流的产生如其通常在表面上吸收的极其小的水数量已足够。对此必要的是，使这些最小水数量不活动并且壳体23通过用金属或玻璃18，19焊接或通过焊接13严密密封地闭锁。
这导致下列优点：
这种密封地充填的致动器模块22示出不变的极其低的泄露电流，甚至在其永久以额定场强运行时也是如此。图8作为图形示出在如此充填的致动器1上运行的泄露电流。致动器尺寸和其他参数对应于根据图8的未充填的致动器。充填的致动器1的泄露电流比未充填的致动器的泄露电流小大约1000000倍。
在制造致动器1时例如根据DE 19840488A1的具有有机粘合系统的低烧结的压电陶瓷，作为125μm厚箔准备。市场上可买到的内电极膏借助于筛网印刷涂敷在这个箔上。堆叠多个此类箔并且压制成复合板，其中复合板的上侧和/或下侧保留几个箔而非内电极7，以便产生不活动区域，在该不活动区域上稍后可以电接触致动器1。复合板拆分成单个棒形的致动器，这个致动器在900°C-1100°C的情况下，优选在1000°C的情况下烧结。在打磨致动器表面之后银制成的基底金属化3借助于筛网印刷/煅烧过程（Einbrennprozesses）涂敷在接触侧上。由金属导线网组成的外电极4焊接到其上。在下列测量过程的情况下为防止机械损伤并为电隔离致动器1现在用市场上可买到的硅有机漆隔离。致动器1现在可以极化并且电测量。
制造致动器壳体23，其方式为使用金属波纹管作为壳体护套9，其比致动器1稍短。在壳体护套9上两侧设置区域，所述区域实现壳体盖子8的焊接。壳体护套9或者金属波纹管的内径如此，使得致动器1当其插入金属波纹管中时不碰到壳体护套9的壁。
制造壳体23的壳体底部10，17，其方式为在平行平面的金属圆盘中引进两个孔径。例如通过玻璃焊剂严密密封并且电隔离地，连接销作为接头11引进到这个孔径中。这指玻璃套管12。
没有孔径的平行平面的金属圆盘用作壳体盖子8。
致动器1现在在壳体底部10，17上借助于环氧树脂-粘合剂如此固定，致动器用其外电极4作为接头11与两个触针触碰。外电极4和触针之间的接触借助于焊接，熔焊或用有传导能力的粘胶剂的粘贴制造。
致动器壳体23通过致动器1插进，并且与壳体底部10，17例如用激光焊接。致动器1这时突出稍微超过作为壳体护套9的金属波纹管。在这个过程中不允许碰到壳体23。
致动器1和致动器壳体之间的中间空间或者空间24此时用消耗水的介质21填充，例如用聚氨酯填充，该聚氨酯在时效硬化的情况下吸收并且化学转变水并且在此释放例如CO2。
壳体盖子8此时放置在致动器1上，将壳体9拉到盖子8上并且例如用激光熔焊严密密封地固定。
上面描述的操作方法在制造单片的多层致动器的情况下（如在导言中所述）在专利文献和其他公开文献中详细论述。根据本发明的方法在致动器的封闭的情况下不一定对应于所述工作流程。对于技术人员来说还可导出可造成相同结果的类似的操作模式。
对于概念密封理解为不透气并且不透水。
附图：
图1：单片的多层致动器的构造
图2：图1的详细视图
图3：严密密封的壳体23，其具有金属波纹管作为壳体护套9，壳体盖子8，具有作为玻璃套管12中的接头11的触针的壳体底部10。该壳体23是焊接的13。壳体盖子8，壳体护套9和壳体底部10由金属制成。
图4：严密密封的壳体23，其具有金属波纹管作为壳体护套9，壳体盖子8，具有作为焊封的陶瓷套管14中的接头11的触针的壳体底部10。壳体是焊接的13。
图5：严密密封的壳体，其具有金属波纹管作为壳体护套9，在圆周上金属化的陶瓷盖子作为壳体盖子16，在圆周上金属化的陶瓷底部作为壳体底部17以及焊接的触针作为接头11。壳体是焊封的18。
图6：严密密封的壳体，其具有彼此焊接的金属波纹管和金属管道15组成的两部分的壳体护套9，金属制成的壳体盖子8，金属制成的壳体底部10并且具有触针作为玻璃套管12中的接头11。壳体是焊接的13。
图7：严密密封的壳体，其具有在部分金属化的陶瓷管道20上焊接的两个金属波纹管组成的三部分的壳体护套9，金属制成的壳体盖子8和金属制成的壳体底部10。触针作为接头11直接与致动器1的外电极4连接。壳体是焊接的13。
图8：根据现有技术的没有壳体的致动器1的泄露电流特性和作为致动器模块22的根据本发明的充填的致动器1的泄露电流特性。
各个附图标记的意义：
1：单片的压电陶瓷多层致动器
2：压电的活动材料
3：基底金属化
4：外电极
5：供给电压的连接线
6：运行中的致动器的运动方向
7：内电极
8：壳体盖子，金属制成的圆盘
9：壳体护套，金属波纹管
10：壳体底部，金属制成的具有孔径的圆盘
11：接头，金属制成的触针
12：玻璃焊剂制成的玻璃套管
13：焊接，焊缝
14：陶瓷套管，金属化的陶瓷小管，其用壳体底部和触针焊封
15：金属管道
16：壳体盖子，陶瓷圆盘，其在圆周上金属化
17：壳体底部，具有内部金属化的孔径的陶瓷圆盘，其在圆周上金属化
18：焊接金属波纹管-底部，金属波纹管-盖子或金属波纹管-陶瓷管道
19：焊接触针-底部
20：陶瓷管道，在两端上在圆周上金属化
21：水粘合的或转变的介质作为填充物
Claims (12)
1.一种具有在壳体(23)中布置的压电陶瓷多层致动器(1)的致动器模块(22)，其中，所述壳体(23)闭锁并且所述多层致动器(1)和所述壳体(23)之间布置空间(24)，所述空间用介质(21)部分填充或填充并且所述壳体(23)由壳体盖子(8)，壳体护套(9)和壳体底部(10，17)组成以及多层致动器(1)的电接头(11)导入到所述壳体(23)中，其特征在于，所述壳体（23）通过焊接严密密封地闭锁，所述介质(21)在时效硬化时吸收并且化学转变水，以及所述壳体底部（10，17）由金属组成并且所述电接头（11）通过壳体底部（10，17）中的玻璃套管（12）或陶瓷套管（14）导入到壳体（23）内部中，或者所述壳体底部（10，17）由陶瓷组成并且具有所述电接头焊接到的金属化的裂口。
2.如权利要求1所述的致动器模块，其特征在于，所述焊接为激光焊接、用金属焊剂的硬焊、用玻璃焊剂的焊接或软焊。
3.如权利要求1所述的致动器模块，其特征在于，所述介质(21)反应上消耗水。
4.如权利要求1所述的致动器模块，其特征在于，所述介质(21)包含聚氨酯。
5.如上述权利要求1-4中任一项所述的致动器模块，其特征在于，所述介质(21)由粉碎的干燥剂组成。
6.如上述权利要求1-4中任一项所述的致动器模块，其特征在于，所述电接头(11)密封地并且电隔离地集成在壳体底部(10，17)中。
7.如上述权利要求1-4中任一项所述的致动器模块，其特征在于，所述壳体底部在外圆周上具有金属化的区域，通过其实现壳体底部与壳体护套的严密密封的连接。
8.如上述权利要求1-4中任一项所述的致动器模块，其特征在于，所述壳体盖子由陶瓷组成并且具有在外圆周上金属化区域，通过其实现壳体盖子与壳体护套的严密密封的连接。
9.如上述权利要求1-4中任一项所述的致动器模块，其特征在于，所述壳体护套完全或部分由金属波纹管组成。
10.如上述权利要求1-4中任一项所述的致动器模块，其特征在于，完全或部分由金属波纹管组成的壳体护套产生多层致动器的需要的机械预应力。
11.如上述权利要求1-4中任一项所述的致动器模块，其特征在于，所述壳体护套完全或部分由陶瓷组成并且所述电接头布置在壳体底部和/或壳体盖子中。
12.如上述权利要求1-4中任一项所述的致动器模块，其特征在于，所述壳体底部和/或壳体盖子由柔性隔膜组成。
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