專利名稱：提高了行程能力的壓電執(zhí)行器的制作方法
提高了行程能力的壓電執(zhí)行器本發(fā)明所涉及的壓電執(zhí)行器可在施加電壓時(shí)產(chǎn)生隨該電壓變化的特定膨脹 特性。壓電執(zhí)行器可應(yīng)用于各種不同的技術(shù)領(lǐng)域。例如可以采用多層結(jié)構(gòu)法制成 壓電執(zhí)行器。多層壓電執(zhí)行器可用來控制內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴油閥門、定位工作臺(tái)，或者應(yīng)用于精密儀器設(shè)備中，用途不勝枚舉。編號(hào)為US6,274,967的專利公布了一種多層結(jié)構(gòu)的壓電執(zhí)行器，配有用來將 力傳導(dǎo)入壓電層中的預(yù)應(yīng)力裝置。利用預(yù)應(yīng)力裝置沿著壓電執(zhí)行器的層疊方向， 對(duì)壓電層施加單軸壓應(yīng)力。編號(hào)為WO2004/015789A2的申請(qǐng)書公布了一種具有至少一個(gè)層疊形狀壓 電元件的壓電執(zhí)行器。這種四周裝配了電極的壓電元件適當(dāng)固定于預(yù)應(yīng)力裝置 中，從而將力傳導(dǎo)入壓電層的局部體積之中。施加在壓電層中的機(jī)械預(yù)應(yīng)力與 作用于壓電層中的電場(chǎng)相結(jié)合，使得該壓電執(zhí)行器的膨脹與傳統(tǒng)壓電執(zhí)行器結(jié) 構(gòu)相比有所提高。盡管壓電執(zhí)行器的膨鵬寺性或衍呈能力有所提高，但各種技 術(shù)領(lǐng)域(例如微型機(jī)械)仍然要求進(jìn)一步增大行程或者改進(jìn)壓電執(zhí)行器的膨脹 特性。因此本發(fā)明所要解決的問題在于，提出一種與現(xiàn)有技術(shù)相比行程特性得到 提高的壓電執(zhí)行器。本發(fā)明涉及一種包括下列特征的壓電執(zhí)行器具有至少一個(gè)布置于兩個(gè)相 對(duì)電極層之間，用來在電極層中產(chǎn)生電場(chǎng)的壓電層；具有至少一個(gè)緊鄰壓電層 布置以與該壓電層相互作用的第二層；以及具有預(yù)應(yīng)力裝置，可將其用來對(duì)壓 電層和第二層的應(yīng)力進(jìn)纟亍調(diào)節(jié)，使得當(dāng)壓電層中產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，這兩個(gè)層的應(yīng)力 支持壓電執(zhí)行器的膨脹特性。本發(fā)明所依據(jù)的原理為將具有特定強(qiáng)度壓電效應(yīng)的壓電層與壓電效應(yīng)小 于壓電層的第二層進(jìn)行組合。較小的壓電效應(yīng)在這種關(guān)系下的特點(diǎn)在于當(dāng)電 場(chǎng)強(qiáng)度或者機(jī)械負(fù)荷相同時(shí)，在第二層中所產(chǎn)生的壓電膨脹、鐵電膨脹以^/或 者鐵彈性膨脹要小于壓電層。將具有不同材料特性的這兩個(gè)層組合在一起，則夕卜加應(yīng)力就可提高壓電執(zhí)行器的1界呈能力，效果優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。壓電執(zhí)行器的第二層具有不同于壓電層的電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)和/或壓電 系數(shù)和/或彈性模量。采用使第二層具有不同于壓電層的材料特性的方式，可部分限制或阻止壓 電層中的壓電效應(yīng)，再結(jié)合外加應(yīng)力就可改進(jìn)壓電執(zhí)行器的膨脹特性。根據(jù)本發(fā)明所述的另一種有益設(shè)計(jì)型式，通過梯度層構(gòu)成壓電層和第二層， 且梯度層在垂直于電極層的方向中具有一個(gè)壓電區(qū)域以及一個(gè)材料特性變化的 區(qū)域(即材料梯度)。例如，該梯度層可在垂直于電極層的方向中具有逐漸減弱的壓電效應(yīng)、變 化的電導(dǎo)率和/或彈性模量。借助該梯度層可以通過壓電活性^>的區(qū)域(第二 層)對(duì)壓電活性區(qū)域(壓電層)施加影響，從而改進(jìn)壓電執(zhí)行器的行程能力， 使其優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。以下將根據(jù)附圖、詳細(xì)描述以及從屬權(quán)利要求，對(duì)本發(fā)明以及優(yōu)選設(shè)計(jì)型 式進(jìn)，于詳細(xì)解釋。相關(guān)附圖如下

圖1 3示出本發(fā)明所述壓電執(zhí)行器中的i^材料結(jié)構(gòu)及其作用。圖1所示為，壓電執(zhí)行器1 ，包括壓電層10、第二層30以及電極層20。 電極層20均相對(duì)布置，并且以這種方式包圍壓電層10和第二層30。同樣可以 考慮，也可以對(duì)電極層20進(jìn)行適當(dāng)布置，使其僅僅包圍壓電層IO。除了層IO、 20、 30之外，壓電執(zhí)行器l還具有預(yù)應(yīng)力裝置40。預(yù)應(yīng)力裝置40將機(jī)械彎曲 應(yīng)力施加到層狀結(jié)構(gòu)IO、 20、 30之中。第二層30具有不同于壓電層10的材料特性。例如可以ffi31使電導(dǎo)率和/或 介電常數(shù)和/或壓電系數(shù)和/或彈性模量不同于壓電層10，從而使第二層與壓電層 IO不同。同樣可以考慮，也可以禾,材料梯度來改蝶二層30中的材料特性。 這種材料梯度是材料特性變化的區(qū)域的特征，且材料特性的變化 在垂直于 電極層20的板平面中進(jìn)行。在本發(fā)明所述的一種iti^設(shè)計(jì)型式中，壓電層10和第二層30并非分開的 層。這兩個(gè)層10、 30構(gòu)成共同的梯度層，如圖所示，該梯度層在垂直于電極層 20的板平面中具有一個(gè)壓電區(qū)域和一個(gè)材料特性變化的區(qū)域。例如可通過在一 個(gè)共同梯度層中實(shí)mil電層10和第二層30的方式，消除兩個(gè)分開疊放的層之 間的界面問題。此外還可降低制造成本，因?yàn)橹灰瞥梢粋€(gè)梯度層即可，不必制造兩個(gè)層。除了，效^t外，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)利用兩^H蟲立層10、 20所能產(chǎn) 生的全部所需材料特性。在由壓電層10和第二層30構(gòu)成的梯度層內(nèi)，可以在厚度方向中(即垂直 于電極層20)設(shè)計(jì)一個(gè)壓電子區(qū)域，其后面緊隨電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)和/或壓電 系數(shù)和/或彈性模量有變化的區(qū)域。當(dāng)將電壓施力成壓電陶瓷層10或梯度層內(nèi)的 壓電陶瓷子區(qū)域上時(shí)，層10、 30的這種特殊材料結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生附加的壓電和鐵 電膨脹分量。相應(yīng)于ffiil預(yù)應(yīng)力裝置40產(chǎn)生的夕卜加應(yīng)力/預(yù)應(yīng)力條件，在相同重 量下所出現(xiàn)的變糊每會(huì)不同于僅有一個(gè)單獨(dú)壓電層10的情況。由于每個(gè)層10、 30的膨脹狀態(tài)和層隆起高度之間荊璣性關(guān)系，因此可以使得壓電執(zhí)行器1的 fi^呈變化明顯大于利用常規(guī)層疊式執(zhí)行器中壓電陶瓷層的厚度變化所能達(dá)到的 行程變化。因此利用在梯度層內(nèi)附加設(shè)置的材料梯度，可以進(jìn)一步提高壓電執(zhí) 行器1的衍呈。制成Jd^層狀結(jié)構(gòu)10、 30之后，通過將電壓施加在電極20上，會(huì)在壓電 層10 ，度層中的壓電子區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)電極性。所施加的電壓以及因此而在壓電 層10內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)使得鐵電疇(Domaenen)處于電場(chǎng)方向，如圖中箭頭所示， 該電場(chǎng)方向垂直于電極層20。經(jīng)過極化之后，在預(yù)應(yīng)力裝置40中設(shè)置層結(jié)構(gòu)10、 20、 30，從而將機(jī)Wi3Z 力施加到層結(jié)構(gòu)IO、 20、 30之中。示例中所示的是一種三點(diǎn)式彎曲裝置40，也 可使用其它的預(yù)應(yīng)力裝置，例如四點(diǎn)式彎曲裝置。預(yù)應(yīng)力裝置通過施加到層狀 結(jié)構(gòu)10、 20、 30之中的機(jī)械應(yīng)九在壓電層10內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)受到圖中所示板平 面中平行于電極層20的拉應(yīng)力作用的子區(qū)域。在圖1 3所示的示例中，這一 受到拉應(yīng)力作用的子區(qū)域位于彎曲的層結(jié)構(gòu)IO、 20、 30的頂點(diǎn)周圍。頂點(diǎn)附近 平行于電極層20的箭頭表示所施加的拉應(yīng)力在該區(qū)域內(nèi)引起了層結(jié)構(gòu)10、 20、 30中的鐵彈性B^II位移以及膨脹變化?，F(xiàn)在如果在壓電層10中產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，就會(huì)引起疇壁位移，即使得圖中所 示的箭頭垂直于電極層20。電場(chǎng)在壓電層10內(nèi)引起橫向收縮，即在板平面內(nèi)平 行于電極層20的方向上觀察到壓電層10縮短。在第二層30內(nèi)，或者當(dāng)壓電活 性^>的區(qū)域內(nèi)存在上述梯度層時(shí)，橫向收縮或縮短程度將小于壓電層10。由于壓電層io中的縮短程度大于梯度材料層，m施加外力弓胞的彎曲會(huì)由于材料特性不同于壓電層10，而使得壓電執(zhí)行器1的行程進(jìn)一步增大。因此壓電執(zhí)行器1的優(yōu)點(diǎn)就在于可以有針對(duì)性地結(jié)合壓電、鐵電和鐵彈性效應(yīng)，從而使得 壓電執(zhí)行器具有比傳統(tǒng)層疊式執(zhí)行器明顯更大的行程。通過將多層壓電陶瓷技術(shù)、微型結(jié)構(gòu)以及M機(jī)械技術(shù)結(jié)合使用，肯g夠利用上述方法和裝置，以低廉 成本實(shí)現(xiàn)適合于低電壓運(yùn)行的新的大批量應(yīng)用，例如可應(yīng)用于生物和醫(yī)療技術(shù) ( 泵，微型閥)、電子工業(yè)(氣動(dòng)閥)、M執(zhí)行器和鵬馬達(dá)領(lǐng)域。圖2中的示例是作為第二層30的層結(jié)構(gòu)10、 20、 30，具有壓電效應(yīng)較小的 導(dǎo)電陶瓷。當(dāng)給予贓力層結(jié)構(gòu)IO、 20、 30施加電場(chǎng)時(shí)，首先在第二層30中如 圖所示的彎曲頂點(diǎn)處形成小于壓電層10的橫向收縮或縮短。此外，第二層30 的導(dǎo)電性還可使得壓電層10中的電場(chǎng)增強(qiáng)。由于壓電效應(yīng)提高，因此增強(qiáng)的電 場(chǎng)可在壓電層10內(nèi)垂直于電極層20的方向上引起更為強(qiáng)烈的膨脹。層結(jié)構(gòu)10、 20、 30內(nèi)的這種膨脹狀態(tài)與夕卜加機(jī)械予鵬力相互作用，從而使得壓電執(zhí)行器1 的行程能力得以提高。在圖3所示的層結(jié)構(gòu)10、 20、 30中，其第二層30的彈性模量高于壓電層 10。盡管在第二層30內(nèi)具有壓電材料特性，彈性模量提高后仍然會(huì)使得層結(jié)構(gòu) 10、 20、 30頂點(diǎn)周圍的縮短程度小于壓電層10內(nèi)在該區(qū)域中的縮短程度。因此 在圖3所示的層結(jié)構(gòu)10、 20、 30中，也將在層10和30中引起不同的膨脹狀態(tài)， 這種膨脹狀態(tài)結(jié)合外加予鵬力的作用就可使得壓電執(zhí)行器1的〗界呈增大。
權(quán)利要求
1. 一種壓電執(zhí)行器(1)，包括下列特征a.至少一個(gè)布置于兩個(gè)相對(duì)的電極層(20)之間的壓電層(10)，所述電極層用來在壓電層(10)中產(chǎn)生電場(chǎng)，b.至少一個(gè)緊鄰壓電層(10)布置以與該壓電層相互作用的第二層(30)，以及c.預(yù)應(yīng)力裝置(40)，將其用來調(diào)節(jié)壓電層(10)和第二層(20)的預(yù)應(yīng)力，使得當(dāng)壓電層(10)中產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，這兩個(gè)層(10，30)的應(yīng)力支持壓電執(zhí)行器(1)的膨脹特性。
2. 根據(jù)權(quán)禾腰求1所述的壓電執(zhí)行器(1)，其第二層(30)在相同強(qiáng)度電 場(chǎng)的作用下，具有比壓電層(10)更小的壓電膨脹，尤其是平行于以^/或者垂 直于所述電場(chǎng)的壓電膨脹。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的壓電執(zhí)行器，其第二層(30)具有不同于 壓電層(10)的電導(dǎo)率以^/或者介電常數(shù)以^/或者壓電系數(shù)以^/或者齊性模量。
4.根據(jù)戰(zhàn)權(quán)禾腰求中任一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行器，其第二層(30)布置于 電極層(20)之一上，或者直接布置于壓電層(10)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行器(1)，其第二層(30)具 有表征材料特性變化的區(qū)域的材料梯度。
6. 根據(jù)戰(zhàn)權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行器，其壓電層(10)以及第 二層(30)合并于一個(gè)梯度層中，該梯度層在垂直于電極層(20)的方向中具 有壓電區(qū)嫩財(cái)才料特性變化的區(qū)域。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電執(zhí)行器，鄉(xiāng)度層包括電導(dǎo)率以風(fēng)或者介電 常數(shù)以^/或者壓電系數(shù)以^/或者彈性模量變化的區(qū)域。
8. 根據(jù)J^權(quán)禾腰求中任一項(xiàng)所述的壓電執(zhí)行器(1)，其預(yù)應(yīng)力裝置(40) 將彎曲帶入壓電層(10)和第二層(30)，使得壓電層(10)的子區(qū)域內(nèi)，尤 其在彎曲頂點(diǎn)處受到平行于電極層(20)的拉應(yīng)力作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種增大了行程能力的壓電執(zhí)行器。壓電執(zhí)行器(1)由壓電層(10)以及在厚度方向具有材料梯度的第二層(20)構(gòu)成。電場(chǎng)在壓電層(10)和第二層30中產(chǎn)生不同的膨脹狀態(tài)，該膨脹狀態(tài)與外加機(jī)械預(yù)應(yīng)力相結(jié)合，就可使壓電執(zhí)行器(1)的行程增大。壓電執(zhí)行器適合于低電壓應(yīng)用，例如生物與醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域(微型泵，微型閥)、電子工業(yè)領(lǐng)域(氣動(dòng)閥)和微型執(zhí)行器及微型馬達(dá)。
文檔編號(hào)H01L41/09GK101228643SQ200680022338
公開日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日
發(fā)明者A·沃爾夫, C·舒, T·斯坦科普夫 申請(qǐng)人:西門子公司