專利名稱：壓電執行元件的制作方法
現有技術本發明涉及一種根據獨立權利要求的類型特征的壓電執行元件和與該壓電執行元件機械聯接的傳感器，該壓電執行元件例如用于操作機械部件。
普遍公知，利用所謂壓電效應可由具有適當晶體結構的材料構成壓電元件。當將外部電壓施加在該壓電的和電致伸縮的陶瓷上時產生該壓電元件的機械響應，根據晶體的結構及電壓的作用范圍，該響應表現為一個預定方向上的壓力或拉力。
基于其極快的及可精確調節的偏移效應，這種壓電執行元件可用來制造調節器，例如設置在機動車上的燃料噴射系統中用于驅動開關閥。在此情況下該壓電執行元件的受電壓或電荷的控制的偏移用來定位一個控制閥，該控制閥又調節一個噴嘴針的行程。
因為用于操作壓電執行元件所需的電場強度在若干kV/mm的范圍中并且為了控制通常需要中等電壓，因此該壓電執行元件的結構以多層相互堆疊的金屬化的壓電陶瓷形成所謂的多層執行元件。為此在這些層之間設有內電極，這些內電極例如用壓力方法施加，及設有外電極，通過這些外電極施加電壓。用于制造這些層的典型方法為薄膜澆鑄技術。在此，為了制造內電極各個層被金屬化及彼此堆疊，其中，在兩個層之間通過不同極性的內電極產生壓電效應。
在此情況下，真正的壓電元件可或者如上所述有源地作為壓電執行元件被使用，或者無源地作為傳感器被使用，在該傳感器中，可量取當壓電元件通過機械作用變形時所產生的電壓。
這樣的結構例如被描述在DE 199 60 971 A1中。在此，可量取的電壓信號作為壓力傳感器正比于作用的力或者作為行程傳感器正比于作用的變形。為了可調節地調整一個壓電執行元件的長度變化，必需感測該長度變化，因此至今必需使用一個單獨的部件作為傳感器元件。
為此可以在壓電執行元件上粘貼應變片，感應位移記錄器，或如以上現有技術中所述，使用另一個壓電傳感器。
本發明的優點如上所述，開始部分所述的壓電執行元件通過壓電層和在壓電有源區域中具有設置在這些層之間的內電極的多層結構構成并且設置有從一層到另一層變換的內電極觸點接觸，用于施加電壓。為了構成傳感器部分，設有具有內電極的其它壓電層，在其上可通過另外的外電極獲取與對壓電執行元件的操作成正比的電的傳感器信號。根據本發明，用于執行元件部分的壓電層及用于至少一個傳感器部分的壓電層有利地這樣集成在一個部件中，使得用于傳感器部分的各個壓電層以預給定的距離被設置在用于執行元件部分的壓電層之間。
因此以有利的方式可達到使作為壓電執行元件的有源壓電元件和作為傳感器的無源壓電元件被組合在一個部件中。兩個功能，即產生位移和/或力和測量位移和/或力，可相互獨立地同時被使用。在此情況下有利的首先是，不需要其它附加部件作為傳感器，由此主要得到成本及結構上的優點。
此外，該集成解決方案簡化了壓電執行元件的組裝，因為傳感器和執行元件為同一部件的組成部分，由此可取消涉及問題的專門裝配及可能為此所需的其它部件，例如在測力計情況下的磨削配合。
根據本發明的這種執行元件-傳感器單元尤其對這樣的場合提供了優越性一方面要求高的位移精度，例如在微米和分微米范圍內，另一方面由于結構空間原因不允許安裝其它的部件。
特別有利的是，通過本發明可借助用于汽車中的燃料噴射系統中的直接閥針控制來控制燃料的噴射，在這里甚至可實現閥針調節。
在以下所述的本發明實施例中可有利地將一個壓電執行元件與一個壓電傳感器這樣集成在一個部件中，其方式是，將各個壓電元件相互堆疊，然后分開地根據功能單獨驅動(執行元件)或讀出(傳感器)。為此，在機械方面串聯連接的壓電層在電方面并聯地連接。
視應用不同，可以使執行元件部分的大量有源壓電層面對傳感器部分的相對較少量的無源壓電層或者相反。因為在壓電效應下伸長的絕對值是很小的，但相反地與此相關的電荷量很大，在一些優選實施例中可使多個有源元件面對少量無源元件。在此情況下堆垛可用有利的方式這樣實現，即每在一定數量、例如20個有源壓電層后各置入或觸點接觸一個傳感器元件，它由至少一個無源層組成。此外該傳感器元件可分成多個單個的、彼此并列布置的段，由此可多重量取傳感器信號并由此提高抗故障安全性。
堆垛結構是涉及粘接在一起的單個壓電層還是涉及以所謂綠色狀態堆疊然后一起燒結成一個陶瓷體的單層(共燒結方法)，對于本發明的有利功能是無關緊要的。
有利的是，在壓電執行元件具有一個矩形橫截面的情況下，執行元件部分的和傳感器部分的在電方面正的和負的外電極設置在壓電執行元件的相對立的側面上，但它們彼此錯開90°地向外引出。但也可以是，執行元件部分的以及傳感器部分的外電極一起被設置在壓電執行元件的兩個相對立的側面上。
在另一有利實施例中，傳感器部分的內電極被引到壓電執行元件的角區域中并且在那里分別與外電極觸點接觸。在具有多個傳感器部分的情況下，各個內電極可有利地交替與角區域的不同側面上的外電極觸點接觸。
如果該部件包括多個在作用方向上在機械方面彼此并聯連接的傳感器單元，則它們在電方面可彼此并聯地連接，其方式是，相同極性的相應內電極共同在外側面上觸點接觸，由此改善了傳感器的靈敏度。
根據另一有利實施形式，在具有多個與外電極觸點接觸的傳感器部分的情況下，傳感器部分的具有相同極性的各個內電極在壓電執行元件的作用方向上前后排列地在壓電執行元件的一個側面上觸點接觸。
附圖以下借助附圖來描述具有集成的傳感器的本發明壓電執行元件的有利實施例。附圖表示
圖1具有用于執行元件部分及用于傳感器部分的、由壓電陶瓷層和位于其間的內電極組成的多層結構的壓電執行元件的一個剖面，圖2相應于圖1的一個剖面，但其中的壓電執行元件在這里被分成多個有源的執行元件部分和無源的傳感器部分，圖3根據圖1的壓電執行元件的一個橫剖面，圖4具有兩個并列設置的傳感器壓電層的壓電執行元件的一個橫剖面，圖5具有三個并列設置的傳感器壓電層的壓電執行元件的一個橫剖面，圖6和圖7具有一個執行元件部分和一個傳感器部分的壓電執行元件的一個橫剖面及一個立體圖，該執行元件部分和傳感器部分分別在壓電執行元件的相同側上觸點接觸，圖8和圖9根據圖6和7的實施例的另一變型，圖10和圖11具有用于傳感器部分的、較小的、在角上觸點接觸的內電極的壓電執行元件的一個橫剖面和一個立體圖。
實施例的說明圖1中表示出一個壓電執行元件1，它以公知方式由具有適當晶體結構的陶瓷材料壓電層、例如所謂綠色薄膜構成，由此通過利用所謂壓電效應，當通過該圖中未示出的、而由圖3中可看到的外電極4和5將一個外部直流電壓施加在內電極2和3上時，在作用方向6或7上發生壓電執行元件1的一個機械響應。在這里，這些具有內電極2及3的壓電層在作用方向6或7上分布在壓電執行元件1的整個結構上，以一種從現有技術公知的方式例如通過燒結彼此燒結成塊。
因此，根據圖1的壓電執行元件1的縱剖面表示一個堆垛結構，其中，具有相應內電極2及3的有源壓電層垂直于圖面、一上一下交替地觸點接觸在壓電執行元件1的外側面上。此外在這些有源壓電層之間安置了帶有內電極8及9的無源壓電層，其中，這些傳感器壓電層向左偏錯90°地被引導到一個外電極10上或向右被引導到一個外電極11上并且在那里觸點接觸。在這里，傳感器部分與執行元件部分偏錯90°的這種布置不是一定要求的。
對于圖2中所示情況，以類似方式實現結構，其中，多個執行元件部分和傳感器部分在機械方面串聯地及在電氣方面并聯地連接。
該結構也可由根據圖3的橫剖面看出，由該圖可看到，用于激活壓電執行元件1的外電極4及5設置在壓電執行元件1的在該圖中在上面和下面相對的兩個側面上并且用于傳感器部分的外電極10及11左右相對地設置在壓電執行元件1上。具有分段的傳感器部分的其它變型及通過壓電執行元件1中的內電極2及3或8及9的特殊埋設使內電極向外觸點接觸的改型借助下面的實施例來說明。
圖4表示傳感器部分構型方面的一個可能的變型方案；這里相對上述實施例改變的是，每兩個具有相應傳感器壓電層12和13的傳感器層彼此并列地設置在一個平面中，因此，為了提高測量可靠性，傳感器信號可被兩次、而不是一次在相應的外電極上量取。通過相應改變對壓電執行元件1在傳感器內電極方面的設計還可以進一步劃分這些內電極，由此可用簡單方式制造根據圖5的具有傳感器壓電層14，15和16的三重分段結構。
通過傳感器內電極的這種分段或在縱向上的順序地劃分，可以量取比僅一個更多的傳感器信號。因此基本上存在這樣的可能性這些傳感器內電極或者分開地使用、或者并聯地連接，以使傳感器信號雙重或多重。
以下借助根據圖6和7以及根據圖8和9的另外兩個實施例來說明分別在壓電執行元件1的相同側上具有用于執行元件部分和傳感器部分的觸點接觸可能性的其它變型，其中圖7及9分別表示根據圖6或8的實施例的立體圖。因為結構元件的功能基本上相應于圖1至3中所述的功能，在這里選擇相似的參考標號。在此也可以是，如由圖4及5所示，傳感器部分可分段成多個并列設置的部分。
在圖10及從屬的圖11中給出了一個實施例，通過它可實現執行元件部分和傳感器部分的另一有利的組合，其中出內電極的設計這樣變化，使得在每個壓電層中設有一個執行元件壓電層及一個或多個傳感器壓電層。根據圖10及11的傳感器內電極的每個較小的電容器面17，18或19，20在這里面對較多數量的傳感器壓電層，由此在這里也可實現可接受的傳感器輸出信號。在該變型方案特別有利的是，在這里，例如由于外部觸點接觸的部分松脫引起的少量單個層的失效僅很使可被察覺。尤其在傳感器部分雙重實施的情況下，該變型方案具有提高的可靠性。
權利要求
1.壓電執行元件，具有一個多層結構，由垂直于作用方向(6，7)的壓電層和安置在這些壓電層之間的內電極(2，3)組成，這些內電極為了操作該壓電執行元件可通過外電極被加載一個電壓，及具有帶有內電極(8，9)的另外的壓電層，在這些壓電層上，一個與對壓電執行元件(1)的操作成正比的電的傳感器信號可通過另外的外電極(10，11；21，22，23，24)獲取，其特征在于用于執行元件部分的壓電層和用于所述至少一個傳感器部分的壓電層被這樣集成在一個作為壓電執行元件(1)的部件中，使得各個傳感器壓電層以可預給定的距離或布置安置在用于執行元件部分的壓電層之間。
2.根據權利要求1的壓電執行元件，其特征在于在壓電執行元件(1)具有一個矩形橫截面的情況下，執行元件部分的在電方面正的和負的外電極(4，5)和傳感器部分的在電方面正的和負的外電極(10，11；21，22，23，24)分別是設置在壓電執行元件(1)的相對立的側面上。
3.根據權利要求2的壓電執行元件，其特征在于在具有多個分別單個地與外電極觸點接觸的傳感器部分的情況下，這些傳感器部分的相應傳感器壓電層(12，13；14，15，16)相互并列地安置在一個橫向于作用方向(6，7)的平面中；及在這些傳感器部分中，分別具有相同極性的內電極(8，9)在壓電執行元件(1)的作用方向(6，7)上平行并列地在該壓電執行元件(1)的一側上與外電極觸點接觸。
4.根據權利要求2或3的壓電執行元件，其特征在于執行元件部分的外電極(4，5)以及所述至少一個傳感器部分的外電極(10，11)并列地安置在壓電執行元件(1)的兩個相對立的側面上。
5.根據以上權利要求中一項的壓電執行元件，其特征在于所述至少一個傳感器部分的內電極(17，18，19，20)位于角部區域中并且在那里分別與外電極觸點接觸。
6.根據權利要求5的壓電執行元件，其特征在于在具有多個傳感器部分的情況下，相應的內電極(17，18，19，20)交替地與角部區域的不同側面上的外電極觸點接觸。
7.根據以上權利要求中一項的壓電執行元件，其特征在于多個在機械方面串聯連接的傳感器單元在電方面并聯地連接和/或多個在機械方面串聯連接的執行元件單元在電方面并聯地連接。
全文摘要
提出一種壓電執行元件，例如用于操作機械部件，其中，壓電執行元件設置有一個由垂直于作用方向(6，7)的壓電層和安置在這些壓電層之間的內電極(2，3)組成的多層結構，這些內電極為了操作該壓電執行元件可通過外電極被加載一個電壓。在帶有內電極(8，9)的另外的壓電層上，一個與對壓電執行元件(1)的操作成正比的電的傳感器信號可通過另外的外電極(10，11；21，22，23，24)獲取。用于執行元件部分的壓電層和用于所述至少一個傳感器部分的壓電層被這樣集成在一個作為壓電執行元件(1)的部件中，使得用于傳感器部分的各個壓電層以可預給定的距離或并列地安置在用于執行元件部分的壓電層之間。
文檔編號H01L41/047GK1864279SQ200480028882
公開日2006年11月15日 申請日期2004年8月4日 優先權日2003年10月1日
發明者阿克塞爾·恩德里斯 申請人:羅伯特·博世有限公司