[发明专利]压电元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有压电层的压电元件。

背景技术

多层压电元件，如多层压电执行器（piezoelektrische Aktoren），包括多个压电材料层。通常在整个执行器中使用同一种压电材料。

在DE 102 34 787 C1和DE 103 07 825 A1中公开了压电执行器。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，描述一种具有改进的特性的压电元件。

说明一种压电元件，其具有由上下叠置的压电层和设置在其间的电极层组成的堆，其中，该堆具有至少一个带有第一压电充电常数的第一压电层和至少一个直接与第一压电层相邻的、带有第二压电充电常数的第二压电层。该压电充电常数描述当在电极层上施加电压时压电层垂直于电场的伸展。第一压电充电常数与第二压电充电常数不同。

特别是，该压电元件可以作为压电执行器以多层构造方式构成。

压电充电常数用作对压电层当在电极层上施加预定电压时垂直于电场的伸展到底有多强的度量。如果将两种具有不同压电充电常数的材料彼此相接触，则由于两种材料在极化期间的不同伸展会在它们的接触边界处出现机械应力的差别。这将促使在两种材料的接触边界处形成裂缝。

这些裂缝可能在执行器的所谓的非活跃区域（即其中仅有被分配了相同极性的电极的区域）内，例如在两个压电层的边界处并由此在电极层的平面内延伸。对于裂缝在过渡到执行器的所谓的活跃区域（其中具有相反极性的电极交替地上下叠置）时不受控地折断的情况，裂缝可能跨接两个或更多电极层。在这种情况下，可能会出现短接，而这可能导致压电执行器的失效。因此多层压电执行器的可靠性和寿命决定性地取决于对可能出现的裂缝的控制。出现的裂缝的折断可以通过第一和第二层的不同的压电充电常数来防止。

对于在此描述的压电元件来说，优选分别这样选择第一和第二压电层：在该两个压电层之间构成接触边界，其中第一压电层的压电充电常数和第二压电层的压电充电常数的差别要大到足以使得当在所述电极层上施加电压时引起这样的裂缝，这些裂缝优选位于接触边界的区域内并基本上平行于电极层延伸。

因此，所述压电元件具有能够预先给定其中产生裂缝的区域的优点。此外可以预先给定出现的裂缝的延伸。特别是通过使用具有不同压电充电常数的压电层可以消减在压电材料中出现的机械应力，使得能够产生受控的并且特别是平行于电极层延伸的裂缝以及能够避免裂缝的非受控折断。由此，能够避免通过非受控出现且延伸的裂缝对两个或更多电极层的跨接。

在一种有利的实施方式中，压电元件不具有多孔的结构。

与压电材料中跨接至少两个电极层的裂缝相反，平行于或至少基本上平行于内部电极延伸的裂缝对执行器的寿命几乎没有限制。在此，“基本上平行”是指，尽管裂缝不必一定完全是直线的并且是数学意义上平行的，但尽管如此以一个主延伸方向沿电极层延伸，并且在此特别是不具有能够跨接两个或更多电极层的延伸。

在压电元件的一种优选实施方式中，两个压电充电常数中的一个压电充电常数是两个压电充电常数中另一个压电充电常数的1.2至3.0倍。

压电层的压电充电常数越大，相应的层垂直于由施加在电极层上的电压产生的具有预先给定强度的电场的伸展就越大。两个充电常数中的一个充电常数是两个充电常数中另一个充电常数的1.2至3.0倍，优选是1.3至2.0倍。基于由此出现的压电层的不同伸展，可以有目的地产生局部应力并再使其消减，使得实现在压电层之间的接触边界上裂缝的有目的的形成和有目的的延伸。由此可以显著提高压电材料的寿命。

第一压电层和第二压电层可以具有不同的居里温度，这可以导致所涉及的层的不同压电充电常数。

居里温度用作对压电层的可极化性的度量并因此作为对该层在预定强度的电场中的可伸展性的度量。压电层的居里温度与所涉及的层的压电充电常数直接相关。特别是随着压电材料的居里温度上升，压电材料的压电充电常数下降，由此该压电材料的可伸展性下降。

在所述元件的一种优选实施方式中，第一压电层和第二压电层的居里温度之间的差别是20℃至200℃。