CZ2001578A3 - Piezoelektrický ovladač - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká piezoelektrického ovladače vícevrstvou strukturou keramických piezoelektrických vrstev a vnitřních elektrod, uspořádaných mezi těmito vrstvami, s vzájemným bočním kontaktováním vnitřních elektrod přes vnější elektrody, přes které je možné přivádět elektrické napětí.

Dosavadní stav techniky

Všeobecně je známo, že při využití takzvaného piezoelektrického efektu může být z materiálu s vhodnou krystalickou strukturou sestaven piezoelektrický element. Při dotyku vnějšího elektrického napětí nastává mechanická reakce piezoelektrického elementu, kterou v závislosti na krystalické struktuře a oblasti dotyku elektrického napětí představuje tlak nebo tah v předem daném směru. Struktura tohoto piezoelektrického ovladače zde může být provedena ve více vrstvách (vícevrstvé ovladače), přičemž elektrody, přes které je přiváděno elektrické napětí, jsou vždy uspořádány mezi těmito vrstvami.

Takové piezoelektrické ovladače mohou být upraveny například pro pohon ovládacích ventilů u vstřikovacích systémů paliva v motorových vozidlech. Při provozu piezoelektrického ovladače je zde třeba také dbát zejména toho, aby díky mechanickým napětím nevznikaly ve struktuře vrstev žádné rušivé praskliny v oblasti vnějších připojovacích elektrod. Protože vždy na jedné straně jsou kontaktující vnitřní elektrody integrovány do struktury vrstev na způsob hřebene, musí být elektrody, které následují za sebou ve směru struktury vrstev, vždy kontaktovány střídavě na protilehlých stranách. Při činnosti piezoelektrického ovladače, to znamená při dotyku napětí mezi vnitřními elektrodami, ležícími ve struktuře vrstev proti sobě, se vyskytují v oblasti vnitřních elektrod i v oblasti kontaktování na vnějších elektrodách různé mechanické síly, které mohou vést k mechanickému napětí a tím k trhlinám ve vnějších elektrodách.

Podstata vynálezu

Tuto nevýhodu odstraňuje piezoelektrický ovladač s vícevrstvou strukturou keramických piezoelektrických vrstev a vnitřních elektrod uspořádaných mezi těmito vrstvami, s vzájemným bočním kontaktováním vnitřních elektrod přes vnější elektrody, přes které je možné přivádět elektrické napětí, podle vynálezu, jehož podstatou je, že jako první vnější elektroda je vždy na jedné boční ploše umístěna vodivá plocha, která je v kontaktu s vnitřními elektrodami a druhá vnější elektroda provedená na způsob sítě, tkaniny nebo zvlněná je uspořádána na první elektrodě, přičemž druhá vnější elektroda je alespoň bodovým způsobem kontaktována s první elektrodou, a přičemž mezi kontaktními spoji leží roztažitelné oblasti, a přičemž v oblastech piezoelektrických vrstev, které mají vždy na protilehlé straně kontaktované vnitřní elektrody je upravena pasivní zóna bez vnitřní elektrodové vrstvy, a že keramický piezoelektrický materiál alespoň v pasivní zóně a materiál druhé vnější elektrody mají téměř stejné koeficienty tepelné roztažnosti.

První vnější elektroda může být tenká, například několik gm tlustá vrstva z Ni, Ni+Cu nebo Ni+PbSn, která ulpívá přímo na povrchu piezoelektrického ovladače. Druhá vnější elektroda je zde ♦ · · · • ···♦ * f • · ···· • · · · * * • ·· · Μ uspořádána pro ochranu proti příčným trhlinám, které mohou přerušit vedení proudu ve vnější elektrodě. Příčné trhliny mohou vznikat na první vnější elektrodě delaminací ve vnitřních elektrodách v důsledku tahových napětí v piezoelektrických vrstvách v pasivních zónách. Díky uspořádání síťové druhé vnější elektrody se příčné trhliny zastaví a přemostí se eventuálně přerušené vedení proudu v první vnější elektrodě.

Kromě toho dochází při rychlých změnách teploty, například mezi - 40 °C až +160 °C v piezoelektrickém ovladači eventuelně také k odtrhávání mezi první vnější elektrodou a piezokeramikou v důsledku příliš velkých smykových napětí, pokud se koeficienty tepelné roztažnosti piezokeramických materiálů a materiálů vnějších elektrod od sebe příliš odlišují. Zejména druhá vnější elektroda by pak působila díky větší tloušťce (cca 100 gm) ve srovnání s první vrstvou (cca 5 gm) velké smykové síly.

Obzvlášť výhodným způsobem mohou být snížena mechanická napětí v piezoelektrickém ovladači tehdy, pokud keramické piezoelektrické vrstvy a druhé elektrody vykazují přibližně souhlasné koeficienty tepelné roztažnosti od cca 1 * 10'⁶ * 1/K do 10 * 10'⁶ * 1/K. Jako materiál pro výrobu keramických piezoelektrických vrstev přitom připadá v úvahu olovnatý zirkoničitan titanitanu a pro druhé vnější elektrody slitiny železa a niklu, například invar. Pro zlepšení možnosti pájení mohou být tyto materiály povlečeny tenkou (například 5 až 10 gm) vrstvou mědi. Potom může být nanášena pájecí vrstva Sn Pb, aby se druhá vnější elektroda připájela na první.

Tyto a další znaky přednostních provedení vynálezu vycházejí z patentových nároků a také z popisu a obrázků, přičemž jednotlivé • · ♦ • ♦··· • ·* · « ··

znaky je možné uskutečnit vždy samy o sobě nebo ve více formách kombinací jak u provedení vynálezu tak i v jiných oblastech působnosti a mohly by výhodně představovat samy o sobě provedení schopná ochrany, pro něž je zde ochrana nárokována.

Přehled obrázků na výkresech

Příklad provedení piezoelektrického ovladače podle vynálezu je blíže vysvětlen podle obrázků, na kterých znamená obr. 1 řez piezoelektrickým ovladačem s vícevrstvou strukturou vrstev z piezokeramiky, s vnitřními elektrodami a s vnější elektrodou na způsob sítě na první ploché vnější elektrodě, obr. 2 půdorys síťové vnější elektrody podle obr. 1 a obr. 3 detailní řez strukturou vrstev a vnější elektrody v pasivních zónách piezoelektrických vrstev s trhlinami, vzniklými díky mechanickým smykovým a příčným napětím, která se tam vyskytují.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn piezoelektrický ovladač £, který je sestaven způsobem samo o sobě známým z piezoelektrických fólií keramických materiálů s vhodnou krystalickou strukturou, takže při využití takzvaného piezoelektrického efektu nastává při dotyku vnějšího elektrického napětí na vnitřních elektrodách 2 a 3. mechanická reakce piezoelektrického ovladače 1_. Z obr. 2 je patrný boční pohled na toto uspořádání.

· ·♦·· « ·· • · · · · · t • · · · I · • ·· · ··

S vnitřními elektrodami 2 a 3, je v kontaktu první plochá vnější elektroda 6, která je zase kontaktována s druhou vnější elektrodou 7 na způsob sítě přes bodové kontakty 8. například pájením nebo svařováním. První vnější elektroda 6 může být tenká vrstva, tlustá například několik μτη, z Ni, Ni+Cu nebo Ni+PbSn, která ulpívá přímo na povrchu piezoelektrického ovladače L·

Na detailním řezu podle obr. 3 je struktura vrstev a jsou zřetelně patrné bočně přiléhající vnější elektrody 6 a 7 podle obr. 1 a 2. Je zde vyznačena pasivní zóna 10, v níž se elektrické pole podle šipek 11 nijak silně neprojevuje, takže roztahování piezoelektrického ovladače 1 nenastává volně, ale je vynuceno tahovým napětím v keramickém materiálu piezoelektrického ovladače 1_. Tak mohou vznikat delaminace 12. které jsou zde vyznačeny na jednotlivých vnitřních elektrodách 3_. Delaminace 12 mohou přitom přecházet v trhlinu 13 v první vnější elektrodě 6. Trhlina 13 se ovšem druhou síťovou vnější elektrodou 7 zastaví a vodivě přemostí.

Na obr. 3 jsou dále vyznačeny také smykové trhliny 14. které mohou vznikat mezi keramickým materiálem struktury vrstev a první vnější elektrodou 6 díky různé teplotní roztažnosti piezokeramiky a druhé vnější elektrody 7. Relativně tenká první vnější elektroda 6 zde nemá velký vliv.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ

   1. Piezoelektrický ovladač

   - s vícevrstvou strukturou keramických piezoelektrických vrstev a vnitřních elektrod (2, 3), uspořádaných mezi těmito vrstvami,

   - s vzájemným bočním kontaktováním vnitřních elektrod (2, 3) přes vnější elektrody (6, 7), přes které je možné přivést elektrické napětí, přičemž

   - jako první vnější elektroda (6) je vždy na jedné boční ploše umístěna vodivá plocha, která je v kontaktu s vnitřními elektrodami (2, 3) a druhá vnější elektroda (7) provedená na způsob sítě, tkaniny nebo zvlněná je uspořádána na první vnější elektrodě (6), přičemž druhá vnější elektroda (7) je alespoň bodovým způsobem kontaktována s první vnější elektrodou (6), a přičemž mezi kontaktními spoji leží roztažitelné oblasti a přičemž

   - v oblastech piezoelektrických vrstev, které mají vždy na protilehlé straně kontaktované vnitřní elektrody (2, 3) je upravena pasivní zóna (10) bez vnitřní elektrodové vrstvy, a že keramický piezoelektrický materiál alespoň v pasivní zóně (10) a materiál druhé vnější elektrody (7) mají téměř stejné koeficienty tepelné roztažnosti.
2. 2. Piezoelektrický ovladač podle nároku 1, vyznačující se tím,

   - keramické piezoelektrické vrstvy a druhé vnější elektrody (7) mají koeficienty tepelné roztažnosti od cca 1 * 10'⁶ * 1/K do 10 * 10'⁶ * 1/K.

   • · · • ···· · *·*« · *·

   4t «· a
3. 3. Piezoelektrický ovladač podle nároku 2, vyznačující se tím, že keramické piezoelektrické vrstvy jsou z olovnatého zírkoničitanu titanitanu.
4. 4, Piezoelektrický ovladač podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že

   - druhé vnější elektrody (7) jsou vyrobeny z železoniklové slitiny, popřípadě s měděným povlakem