CN1150638C - 具有新型触点接通的压电执行元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

当多层结构形式的压电执行元件运行时由于当极化时或者当压电执行元件运行时在金属带上可以出现裂纹，金属带是为了电极层触点接通安放在执行元件的外边。按照本发明的建议，将导电的接触肩这样安放在金属带上，余留下一个突出部分，这样随后出现的裂纹在接触肩的突出部分内扩展并且裂纹被电短路。

Description

具有新型触点接通的压电执行 元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及压电执行元件及其制造方法。
背景技术
压电执行元件一般是由数个排列成一重叠的压电元件所组成。每一个这样的元件又是由一个压电陶瓷层构成，它的两面配以金属的电极。如果在这些电极上加上一个电压，压电陶瓷层反应为晶格变形，它导致了沿着一个主轴线上的一个可利用的长度伸长。因为它又小于沿着主轴线上层厚的千分之二，必须制造一个相应较高的活性的压电陶瓷层的层厚以达到一个所期望的绝对长度伸长。然而随着压电陶瓷层厚的增加在一个压电陶瓷元件内部与压电元件相对应的所需要的电压也得提高。为了使它能保持在可处理范围之内，被制造成多层执行元件，压电单个元件的厚度一般在20和200μm之间。随后为了一个所期望的长度伸长一个压电执行元件必须有一个相应的单个元件数即-层数。
因此已知的多层结构形式的压电执行元件是由总共几百个单个层所组成。为了它的制造将压电陶瓷绿膜交替地与电极材料排列成一重叠并且一起烧结成一个大约为5mm高的整体的组合。例如具有较大的绝对伸长的较大的执行元件可以由多个这样的重叠粘接在一起而得到。特别是当压电执行元件必须承受大的力时完全整体的多层组合形式的压电执行元件具有足够高的刚性，它以成重叠的形式显示了一个足够坚固的单层的组合。
采用多层结构形式的这种压电执行元件的电触点接通例如可以用由金属带安放在压电执行元件的外边或者也可以安放在单个执行元件的平面中心孔里。为了在相邻的两个压电陶瓷层上有一个电极层可以被用作为电极，在重叠之内的电极层的电触点接通给它们以交替的极性。为了例如使每个第二个电极层与一个金属带连接，它必须与中间的电极层绝缘。这个可以用简单的方法实现，每个第二个电极层在一个金属带范围内有一个空白，在空白处它没有被延伸到金属带上。其余的电极层只在第二个金属带范围有空白，以便与交替极性的一个触点接通成为可能。
交替的触点接通的另一个可能性是，每个第二个电极层在金属带范围再附加绝缘。例如这可以用玻璃绝缘，它可以在形成重叠的整体压电执行元件制造完成以后例如在电极层的边缘用电泳涂上。但是这种方法很贵并且对于压电执行元件是受限制的，它的陶瓷的单层至少为100μm。由于玻璃绝缘层小所以这种触点接通的压电执行元件不适用于高可靠性和没有保护的环境条件。
压电执行元件，其交替的触点接通是用电极层的空白实现的，在触点接通范围内压电是非激活的，因为那里缺少一个电极不能建立电子场。这不仅当极化时而且当压电执行元件运行时会产生以下后果，在这个压电非激活的接触区将产生机械应力，它可以在金属带上导致平行于电极层的裂纹。这将可能导致金属带的完全脱开并且其后果为，当由外面向金属带用点式电压输送时使由电压供电的压电执行元件的一部分被脱开并且因此而变成非激活的。裂纹数视执行元件的高度以及视内部电极/压电陶瓷的界面强度而定并且也可能在连续运行时随着交变的负荷条件而增加。一个在极化时已经出现的裂纹开口将随着执行元件的控制而继续扩大，但是在电压脱开时又重新回到初始值。因而在动态运行时被观察到一个裂纹的动态变化以及裂纹开口的动态变化，这可以继续损坏金属带。
发明内容
因此本发明的任务是，给出一种压电执行元件及其制造方法，它具有一个可靠的电触点接通，它避免了在触点接通时出现电压裂纹的负面后果。
按照本发明此任务是通过如下的技术方案解决的，即：
多层结构形式的压电执行元件，具有以下的特征
-压电陶瓷层和电极层是交替地上下排列成一重叠，
-电极层为了电的触点接通以交替的极性交换地与至少在重叠的两边安放的金属带连接，
-具有一个导电层的接触肩，是在这个导电层上与金属带至少在要接触的电极层的整个高度上这样连接，在金属带的侧边余留了一个突出的来的接触肩部分。
按照本发明压电执行元件可以有一个惯用的和优越的整体结构。重叠式的交替的压电陶瓷层和电极层是上下排列的并且最好烧结在一起。在重叠的外边至少要安放两个金属带以构成电极层的交替触点接通。按照本发明金属带与接触肩是连接在一起的，它有一个导电层。连接是导电的并且至少在要接触的电极层的整个高度上是这样实现的，在金属带的侧面余留有一个接触肩的凸出部分。
最好接触肩是薄的，但是是不易撕碎的并且最好是柔性的。
凸出来的接触肩提供了一个导电的并且与金属带连接的放大了的平面，不会因而同时使压电执行元件的非激活区必须被放大。如果当极化时或压电执行元件运行时在金属带上出现电压裂纹，此裂纹则通过在接触肩上的凸出部分的导电层而被短路。接触肩的宽度和凸出部分的宽度的尺寸应为，在具有大裂纹开口的金属带上的裂纹导致一个局域性的裂纹虽然还在接触肩上，但是它一定只存在在接触肩以内。用这种方法所有在金属带上出现的裂纹均可以被导电而短路，这样所有的原本接触的电极层保持电的连接并且整个的执行元件没有功率损失。
用本发明也有可能，提高层数和因而提高压电执行元件的重叠的高度，而不至于同时导致裂纹形成导致电接触中断危险的增大和导致压电执行元件的功能优异性受到破坏。也有可能将整体的压电执行元件用具有较大的重叠高的多层结构方式制成因而产生比较大的可利用的伸长。然而到目前为止只有通过几个小的整体的执行元件粘在一起才能得到大的伸长，现在单个的整体压电执行元件也能提高它的伸长，而不必顾虑执行元件的损坏。只是整体的压电执行元件具有高的刚性，用它在动态运行时可以可靠地承受大的力。
在本发明中的一个优异的结构中接触肩是由一种复合材料构成，它除了导电层以外至少还包括一个塑料层。这个塑料层提高接触肩的撕裂强度并且用以改善接触肩的保护以抵抗在压电执行元件运行中的进一步撕裂。一个由复合材料制成的接触肩此外还有的优点是，它比一个例如由纯金属例如一个金属薄膜制成的接触肩可以比较轻。当压电执行元件在动态运行时它不会出现附加的机械力。接触肩是机械柔性的并且可以很容易地与各种压电执行元件的安装方式和例如各种安装壳体相适应。比起惯用的触点接通只出现小的附加材料费用。
在本发明的一个其它的结构中接触肩包含有一个金属涂层的塑料膜。在接触肩突出部分的金属的导电层上最好涂覆上一个塑料层。它的优点是，接触肩的的突出部分是全面绝缘的，这样即使在强弯曲时在突出部分也不会出现与压电执行元件边缘上可自由接触到的电极层的短路。通过双面导电的和例如在塑料层上附上金属层接触肩的撕裂强度进一步被提高。
在为制造一个按照本发明的压电执行元件的方法中一个整体的多层结合体是用惯用的和已知的方法制造成的。为此可以用电极材料印上的绿膜上下重叠在一起并且不用或用压力被烧结在一起。压电陶瓷薄膜和已加工好的压电执行元件可以是一个园的，长方形的或任意的其它的截面形状。电极材料是这样被印在薄膜上，重叠以后只有在触点接通范围内的每个第二个电极层直到压电陶瓷薄膜的外缘以及后来成为重叠的外缘被导电。将每一个金属带安放在两个触电接通区上例如每个第二个电极层与一个，余下的电极层与第二个金属带连接。金属带包括一种金属，它是气相沉积或溅射的或者借助于一个含金属的膏涂上去并且烧上去的。
现在在金属带上被这样安放一个接触肩，其导电层在接触的电极层的整个重叠的高度上是导电的并且紧固地连接在一起的。导电连接可以借助于一种导电胶，一种焊接过程或在一定情况下与金属带一起烧上去。接触肩最好是焊上去的。一种特殊的保护焊接方法是激光光束焊接。这种方法可以将用于焊接的能量有选择地耦合到接触肩上，此时压电执行元件本身仅遭受到极小的热负荷。而且它也不必预热，这样陶瓷就不会由于热冲击或过热而出现损坏。
对于焊接所需要的焊料最好已经放在接触件上。为此在要焊接的范围内用惯用的方法，例如通过气相沉积，溅射或用一种适合的惯用成分的焊锡电镀上。
将接触肩用激光光束焊接安放上去的优点是，如果接触肩是由包括一种塑料和一个导电层的复合材料组成的，其塑料对用于焊接的激光的波长是透明的。用这种方法激光能量几乎全部被耦合到电镀层和被放在上面的焊锡上。
金属带与接触肩的焊接是在金属带的整个长度上或者至少是在要接触的电极层的整个长度上。为此可以用一种连续激光器或一种相应的扫描脉冲激光器。激光焊接的时间一般仅几秒钟而且可以自动化地进行。
附图描述
下面将借助于一个结构例子和从属于它的6个附图详细地叙述本发明。
附图1用横截面简图表示一个压电执行元件的触点接通。
附图2用横截面简图表示一个按照本发明的压电执行元件。
附图3用投影简图表示一个按照本发明的压电执行元件和
附图4至6用横截面简图表示一种接触肩的可能的结构。
具体实施方式
附图1用断面简图方式表示了一种已被人们所知道的多层结构形式的压电执行元件。它是由一重叠压电陶瓷层2和中间安排的电极层3a，3b所组成。作为压电陶瓷可以使用任何一种PZT-陶瓷(＝铅锆酸盐钛酸盐)。电极层是用一种适宜的材料，最好是一种含银的烘烤膏。电极层还可以含有附加的氧化物添加剂以改善在压电陶瓷层2上的粘着性以及另外的单独的金属或另外的添加剂，例如白金或钯。
用6个压电陶瓷层2表示的重叠通过一起烧结，在一定的情况下提高压力，被烧成一个坚固的结合体。重叠的边缘，与重叠的方向相平行安装上金属带4和5。这个可以同样由一个烧上去的银膏所构成，还可以用其它的方法气相沉积或溅射上去的。然而关键的即不是金属的种类又不是金属带安装到压电执行元件的重叠上的方法。在每个金属带4，5上又被固定上电接头6和7，例如通过焊上一个电导线。此时可以是在金属带的一个或几个点上连接或制造一个接触肩。按照极性平行于重叠的方向得到一个具有功能的压电执行元件，它当电接头6和7上加上电压时在r方向显示出一个伸长。传递大的力的整体执行元件重叠的厚度可以达到40mm并且根据压电陶瓷层的厚度可以包括有1000个压电陶瓷层2。
此外从附图1还可以看出，单个的电极层是平行地这样被交错地连接在一起的，每个第二个电极层具有同一个极性。电极层3a，3b是这样安置在压电陶瓷层2上的，在金属带上触点接通范围上余留着空白，它不被电极材料所覆盖。这些空白被用作为电极层与金属带的绝缘，在这个地方它不应被接通。
附图2用通过内部电极的横截面表示一个列举的压电执行元件。在图中执行元件是用四方形的截面线表示的，然而也可以是任意的其它的样子。最上面的电极层3a在左上角有一个空白，在其上可以看到在它下面的压电陶瓷层2。这个空白可以如图所示不仅是正方形的，也可以是长方形或椭圆形或圆形的并且不仅安排在角上，也可以安排在执行元件的中间。电极层3a与金属带4是导电连接的，在这里是安排在角上的。在对面角上安排的金属带5由于在电极层3a上的空白与它没有接触。但是它与在它下面的(在这里看不见)电极层3b是连接的，它在执行元件的对角是用虚线表示的并且有用8标示的空白。
按照本发明金属带4和5被与一个接触肩13连接。连接是在整个重叠的高度上实现的或者至少是在要接触的电极层3a，3b的整个高度上。接触肩13是用一种导电粘接剂9粘上的，例如用一种可导电的粘接剂或用一个焊层。与重叠以及与金属带4连接相面对的接触肩13有一个突出的部分，它的长度b是足够的，当压电执行元件运行时或在极化时在金属带上出现的裂纹在接触肩范围内扩展。对于具有一个基本尺寸为7×7mm和一个高度为40mm的压电执行元件如果突出部分的宽度b为5至10mm是足够了。重叠的厚度小时突出部分b的宽度也可以被选择的小一些。
在突出部分b的端部触点接通可以以任何方式，例如通过焊上一条导线，以便和电接头6和7连上。
以同样方式第二个金属带5与一个同样的接触肩13连接。最好的连接方法被选择为用激光焊接。
附图3用断面和用一个投影简图方式表示了带有一个安装了接触肩13的压电执行元件1。所表示的压电执行元件虽然显示了一个长度方向的伸长，但是还不适用于传递大的力。为此在执行元件1的上-和下端需要在这里没被表示出来的压电的非激活的端板，它同样是与重叠整体地连接在一起的。
附图4用横截面简图表示了一个接触肩的最简单的结构形式，其中接触肩只包括一个导电层10，例如一个金属薄膜。导电层10(膜)可以选择为沿着一个已经用焊接或用一种其它的导电粘接剂9涂上的边，它被用作与金属带4和5连接。与所表示的截面纵向方向接触肩的长度例如对应于压电执行元件1的重叠高，而接触肩13的宽度以及导电层10的宽度至少与突出部分的宽度b加上与金属带连接的宽度相对应。对于列举的压电执行元件为7×7×40(mm)3时一个突出的部分b为5至10mm是足够的。
附图5表示了接触肩13的一个其它的结构，在这种结构中它是包括一个支承件和一个导电层10的一种复合材料。作为支承件例如可以使用一种塑料层11(塑料薄膜)，它是用一种能很好导电的金属涂层的。在本发明的一个结构例子中作为支承件是使用一种Kapton膜，例如其厚度为25μm，它是由一种适当的金属，例如25μm的铜涂上的。作为导电粘接剂9例如可以用电镀法镀上一层锡层。使用铜作为导电层10的优点是焊接性好和高导电性。
附图6：在本发明的另一种结构中接触肩13的结构和附图5的相似，然而除了导电粘接剂9(焊带)以外还有一个绝缘层12，用它几乎将导电层10的整个表面覆盖以及涂覆上。这个绝缘层12可以是另外一种塑料层，它直接与焊带相接，或如图所示，和它有一个距离。
作为安放方法被使用一个激光射线焊接，这样它的特殊的优越性在于，如果按照附图5和附图6接触肩有一个对于所使用的激光波长透明的支承件时，例如已叙述过的Kapton膜。用这种方法激光光束焊接可以用最小的能量进行，此时激光能量几乎可以全部被耦合于熔融焊接上。薄膜或压电执行元件1的一个热负荷被避免。

Claims (11)

1.多层结构形式的压电执行元件，具有以下的特征
-压电陶瓷层(2)和电极层(3a，3b)是交替地上下排列成一重叠，
-电极层(3a，3b)为了电的触点接通以交替的极性交换地与至少在重叠的两边安放的金属带(4，5)连接，
-具有一个导电层(10)的接触肩(13)，是在这个导电层上与金属带(4，5)至少在要接触的电极层(3a，3b)的整个高度上这样连接，在金属带的侧边余留了一个突出的来的接触肩部分(b)。
2.按照权利要求1的压电执行元件，其中，该压电执行元件被构造成为一个整体。
3.按照权利要求1或2的压电执行元件，其中，接触肩(13)是由一个导电层(10)和一个塑料层(11)的复合材料构成的。
4.按照权利要求3的压电执行元件，其中，接触肩(13)是一个金属涂层的塑料层。
5.按照权利要求1或者2的压电执行元件，
其中，接触肩(13)的突出部分(b)的宽度为5至10mm。
6.按照权利要求1或者2的压电执行元件，
其中，接触肩(13)包括一个两边由塑料涂覆的导电层(10)，它在金属带范围内仅有一边被塑料所覆盖或者完全没有被覆盖。
7.按照权利要求1或者2的压电执行元件，
其中，接触肩(13)包括一个用铜涂覆的塑料层。
8.按照权利要求1或者2的压电执行元件，
其中，金属带(4，5)包括一个焙烧的金属化层。
9.一个多层结构方式压电执行元件的触点接通方法，
-其中，压电陶瓷层(2)和电极层(3a，3b)被交替地上下排列并被连接成一个整体的结合体，
-其中，在结合体的侧面至少要安放两个金属带(4，5)，以便使电极层(3a，3b)以交替的极性进行电接触，
-其中，金属带(4，5)在要接触的电极层(3a，3b)的整个高度上与一个具有一个导电层(10)的接触肩(13)在导电层上是这样连接的，在金属带的侧面余留出一个突出部分(b)。
10.按照权利要求9的方法，
其中，导电层(10)在要连接范围内有一个焊接层并且接触肩(13)随后借助于这个焊接层被焊接到金属带上。
11.按照权利要求9或10的方法，
其中，金属带(4，5)与接触肩(13)的连接是用激光焊接完成的。
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