[发明专利]具有过渡区和安全层的单片压电执行器及该压电执行器的应用

说明书

本发明涉及一种单片多层结构形式的压电执行器。

在将这种压电执行器初次电驱动直至大信号范围(多个kV/mm的 场强)中时，压电陶瓷材料被极化。在此造成不可逆的长度变化，即 所谓的剩余伸长。由于剩余伸长和由于在压电执行器工作时电驱动电 极层时出现的附加伸长，在总叠层中形成拉应力。这些拉应力导致在 极化过程中或者在压电执行器工作时例如沿着压电陶瓷层与电极层之 间的界面形成裂纹(极化裂纹)。这种裂纹尤其是在有源部分叠层与 终端区(Abschlussbereich)之间的过渡区中出现。在此，特别有害 的是分岔的裂纹或者在总叠层的纵向上伸展的裂纹。这种裂纹必然导 致压电执行器过早发生故障。

本发明的任务是说明一种压电执行器，在该压电执行器中，构成 上述裂纹及其生长的概率与背景技术相比被减小。

为了解决该任务，说明了一种具有总叠层的单片多层结构形成的 压电执行器，所述压电执行器具有：至少一个压电有源部分叠层，其 中所述部分叠层具有相叠布置的压电陶瓷层和布置在压电陶瓷层之间 的电极层；至少一个布置于压电有源部分叠层上方的压电无源终端区 和至少一个布置在压电有源部分叠层与终端区之间的过渡区，其中过 渡区具有相叠布置的过渡区压电陶瓷层和布置在过渡区压电陶瓷层之 间的过渡区电极层，并且过渡区压电陶瓷层和过渡区电极层被构造并 被相互布置来使得通过电驱动过渡区电极层而可耦合输入到过渡区压 电陶瓷层中的电场在过渡区的从过渡区压电陶瓷层到过渡区压电陶瓷 层的叠层方向上相继变化，并且压电有源部分叠层朝向过渡区具有安 全层，在该安全层中，在机械过载时优选地构成裂纹。

优选地，过渡区的叠层方向从电有源的部分叠层朝终端区方向延 伸。在此，过渡区电极层的层厚度从过渡区电极层向过渡区电极层相 继增加。

终端区可以是总叠层的顶部区或者底部区。终端区可包含一层或 者多层。在后者情况下称为覆盖包(Deckpaket)。可考虑陶瓷或金属 材料作为终端区的材料。

压电陶瓷层的压电陶瓷材料和过渡区压电陶瓷层的压电陶瓷材料 可以是相同的。但是也可以使用不同材料。

本发明的基本思想在于：提供一种在压电陶瓷的偏转方面具有渐 变的过渡区。该渐变导致压电陶瓷的偏转在电驱动过渡区电极层时从 过渡区压电陶瓷层向过渡区压电陶瓷层相继变化。该偏转从有源部分 叠层朝向无源终端区被减小。对所述偏转进行了匹配。由此，内部机 械应力由于不同的偏转而被减小。同时在附近布置安全层。该安全层 用作额定断裂处(Sollbruchstelle)。该安全层构成单片总叠层中的 最脆弱的环节。在(内部或从外部引起的)机械过载时，尤其在安全 层中或者在安全层上构成裂纹。已经表明：过渡区中的渐变与压电有 源部分叠层中的安全层的组合明显提高了压电执行器的可靠性。

层厚度的增加可任意选择。有利地，从层厚度单位出发，过渡区 压电陶瓷层的层厚度以如下因数增加：1.2；1.5；2.0；2.8；3.8。可 替换的系列由如下因数来限定：1.1；1.3；1.6；2.0；2.5；3.1，例 如如下：层厚度单位例如为80μm。

过渡区压电陶瓷层在所有情况下可包含一层。这些过渡区压电陶 瓷层为单层的。但是，如果过渡区压电陶瓷层为多层的，则是有利的。 为此，过渡区压电陶瓷层中的至少一个过渡区压电陶瓷层具有多个相 叠布置的单独压电陶瓷层。该多层过渡区压电陶瓷层在制造时由多个 压电陶瓷的未烧结膜来构造。

过渡区电极层的层厚度单位尤其是对应于压电有源部分叠层的压 电陶瓷层的层厚度。这例如意味着：与压电有源部分叠层直接邻接的 过渡区压电陶瓷层具有该压电有源部分叠层的相邻压电陶瓷层的层厚 度。

已被强调为特别有利的是安排：在压电有源部分叠层的安全层与 过渡区的安全层之间布置最多10个压电陶瓷层并且尤其是最多5个压 电陶瓷层。安排的是：安全层被布置在过渡区附近。

安全层可由有源部分叠层的压电陶瓷层构成。安全层尤其是由压 电有源部分叠层的电极层之一和/或由压电有源部分叠层的电极层之 一与相邻压电陶瓷层之间的界面构成。