專利名稱：提高了行程能力的壓電執行器的制作方法
提高了行程能力的壓電執行器本發明所涉及的壓電執行器可在施加電壓時產生隨該電壓變化的特定膨脹 特性。壓電執行器可應用于各種不同的技術領域。例如可以采用多層結構法制成 壓電執行器。多層壓電執行器可用來控制內燃發動機中的噴油閥門、定位工作臺，或者應用于精密儀器設備中，用途不勝枚舉。編號為US6,274,967的專利公布了一種多層結構的壓電執行器，配有用來將 力傳導入壓電層中的預應力裝置。利用預應力裝置沿著壓電執行器的層疊方向， 對壓電層施加單軸壓應力。編號為WO2004/015789A2的申請書公布了一種具有至少一個層疊形狀壓 電元件的壓電執行器。這種四周裝配了電極的壓電元件適當固定于預應力裝置 中，從而將力傳導入壓電層的局部體積之中。施加在壓電層中的機械預應力與 作用于壓電層中的電場相結合，使得該壓電執行器的膨脹與傳統壓電執行器結 構相比有所提高。盡管壓電執行器的膨鵬寺性或衍呈能力有所提高，但各種技 術領域(例如微型機械)仍然要求進一步增大行程或者改進壓電執行器的膨脹 特性。因此本發明所要解決的問題在于，提出一種與現有技術相比行程特性得到 提高的壓電執行器。本發明涉及一種包括下列特征的壓電執行器具有至少一個布置于兩個相 對電極層之間，用來在電極層中產生電場的壓電層；具有至少一個緊鄰壓電層 布置以與該壓電層相互作用的第二層；以及具有預應力裝置，可將其用來對壓 電層和第二層的應力進纟亍調節，使得當壓電層中產生電場時，這兩個層的應力 支持壓電執行器的膨脹特性。本發明所依據的原理為將具有特定強度壓電效應的壓電層與壓電效應小 于壓電層的第二層進行組合。較小的壓電效應在這種關系下的特點在于當電 場強度或者機械負荷相同時，在第二層中所產生的壓電膨脹、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層組合在一起，則夕卜加應力就可提高壓電執行器的1界呈能力，效果優于現有技術。壓電執行器的第二層具有不同于壓電層的電導率和/或介電常數和/或壓電 系數和/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，再結合外加應力就可改進壓電執行器的膨脹特性。根據本發明所述的另一種有益設計型式，通過梯度層構成壓電層和第二層， 且梯度層在垂直于電極層的方向中具有一個壓電區域以及一個材料特性變化的 區域(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、變 化的電導率和/或彈性模量。借助該梯度層可以通過壓電活性^>的區域(第二 層)對壓電活性區域(壓電層)施加影響，從而改進壓電執行器的行程能力， 使其優于現有技術。以下將根據附圖、詳細描述以及從屬權利要求，對本發明以及優選設計型 式進，于詳細解釋。相關附圖如下
圖1 3示出本發明所述壓電執行器中的i^材料結構及其作用。圖1所示為，壓電執行器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，也可以對電極層20進行適當布置，使其僅僅包圍壓電層IO。除了層IO、 20、 30之外，壓電執行器l還具有預應力裝置40。預應力裝置40將機械彎曲 應力施加到層狀結構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使電導率和/或 介電常數和/或壓電系數和/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的板平面中進行。在本發明所述的一種iti^設計型式中，壓電層10和第二層30并非分開的 層。這兩個層10、 30構成共同的梯度層，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壓電區域和一個材料特性變化的區域。例如可通過在一 個共同梯度層中實mil電層10和第二層30的方式，消除兩個分開疊放的層之 間的界面問題。此外還可降低制造成本，因為只要制成一個梯度層即可，不必制造兩個層。除了，效^t外，同時也可實現利用兩^H蟲立層10、 20所能產 生的全部所需材料特性。在由壓電層10和第二層30構成的梯度層內，可以在厚度方向中(即垂直 于電極層20)設計一個壓電子區域，其后面緊隨電導率和/或介電常數和/或壓電 系數和/或彈性模量有變化的區域。當將電壓施力成壓電陶瓷層10或梯度層內的 壓電陶瓷子區域上時，層10、 30的這種特殊材料結構就會產生附加的壓電和鐵 電膨脹分量。相應于ffiil預應力裝置40產生的夕卜加應力/預應力條件，在相同重 量下所出現的變糊每會不同于僅有一個單獨壓電層10的情況。由于每個層10、 30的膨脹狀態和層隆起高度之間荊璣性關系，因此可以使得壓電執行器1的 fi^呈變化明顯大于利用常規層疊式執行器中壓電陶瓷層的厚度變化所能達到的 行程變化。因此利用在梯度層內附加設置的材料梯度，可以進一步提高壓電執 行器1的衍呈。制成Jd^層狀結構10、 30之后，通過將電壓施加在電極20上，會在壓電 層10 ，度層中的壓電子區域內出現電極性。所施加的電壓以及因此而在壓電 層10內產生的電場使得鐵電疇(Domaenen)處于電場方向，如圖中箭頭所示， 該電場方向垂直于電極層20。經過極化之后，在預應力裝置40中設置層結構10、 20、 30，從而將機Wi3Z 力施加到層結構IO、 20、 30之中。示例中所示的是一種三點式彎曲裝置40，也 可使用其它的預應力裝置，例如四點式彎曲裝置。預應力裝置通過施加到層狀 結構10、 20、 30之中的機械應九在壓電層10內產生一個受到圖中所示板平 面中平行于電極層20的拉應力作用的子區域。在圖1 3所示的示例中，這一 受到拉應力作用的子區域位于彎曲的層結構IO、 20、 30的頂點周圍。頂點附近 平行于電極層20的箭頭表示所施加的拉應力在該區域內引起了層結構10、 20、 30中的鐵彈性B^II位移以及膨脹變化。現在如果在壓電層10中產生一個電場，就會引起疇壁位移，即使得圖中所 示的箭頭垂直于電極層20。電場在壓電層10內引起橫向收縮，即在板平面內平 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，或者當壓電活 性^>的區域內存在上述梯度層時，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由于材料特性不同于壓電層10，而使得壓電執行器1的行程進一步增大。因此壓電執行器1的優點就在于可以有針對性地結合壓電、鐵電和鐵彈性效應，從而使得 壓電執行器具有比傳統層疊式執行器明顯更大的行程。通過將多層壓電陶瓷技術、微型結構以及M機械技術結合使用，肯g夠利用上述方法和裝置，以低廉 成本實現適合于低電壓運行的新的大批量應用，例如可應用于生物和醫療技術 ( 泵，微型閥)、電子工業(氣動閥)、M執行器和鵬馬達領域。圖2中的示例是作為第二層30的層結構10、 20、 30，具有壓電效應較小的 導電陶瓷。當給予贓力層結構IO、 20、 30施加電場時，首先在第二層30中如 圖所示的彎曲頂點處形成小于壓電層10的橫向收縮或縮短。此外，第二層30 的導電性還可使得壓電層10中的電場增強。由于壓電效應提高，因此增強的電 場可在壓電層10內垂直于電極層20的方向上引起更為強烈的膨脹。層結構10、 20、 30內的這種膨脹狀態與夕卜加機械予鵬力相互作用，從而使得壓電執行器1 的行程能力得以提高。在圖3所示的層結構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內具有壓電材料特性，彈性模量提高后仍然會使得層結構 10、 20、 30頂點周圍的縮短程度小于壓電層10內在該區域中的縮短程度。因此 在圖3所示的層結構10、 20、 30中，也將在層10和30中引起不同的膨脹狀態， 這種膨脹狀態結合外加予鵬力的作用就可使得壓電執行器1的〗界呈增大。
權利要求
1. 一種壓電執行器(1)，包括下列特征a.至少一個布置于兩個相對的電極層(20)之間的壓電層(10)，所述電極層用來在壓電層(10)中產生電場，b.至少一個緊鄰壓電層(10)布置以與該壓電層相互作用的第二層(30)，以及c.預應力裝置(40)，將其用來調節壓電層(10)和第二層(20)的預應力，使得當壓電層(10)中產生電場時，這兩個層(10，30)的應力支持壓電執行器(1)的膨脹特性。
2. 根據權禾腰求1所述的壓電執行器(1)，其第二層(30)在相同強度電 場的作用下，具有比壓電層(10)更小的壓電膨脹，尤其是平行于以^/或者垂 直于所述電場的壓電膨脹。
3. 根據權利要求1或者2所述的壓電執行器，其第二層(30)具有不同于 壓電層(10)的電導率以^/或者介電常數以^/或者壓電系數以^/或者齊性模量。
4.根據戰權禾腰求中任一項所述的壓電執行器，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. 根據權利要求中任一項所述的壓電執行器(1)，其第二層(30)具 有表征材料特性變化的區域的材料梯度。
6. 根據戰權利要求中任一項所述的壓電執行器，其壓電層(10)以及第 二層(30)合并于一個梯度層中，該梯度層在垂直于電極層(20)的方向中具 有壓電區嫩財才料特性變化的區域。
7. 根據權利要求6所述的壓電執行器，鄉度層包括電導率以風或者介電 常數以^/或者壓電系數以^/或者彈性模量變化的區域。
8. 根據J^權禾腰求中任一項所述的壓電執行器(1)，其預應力裝置(40) 將彎曲帶入壓電層(10)和第二層(30)，使得壓電層(10)的子區域內，尤 其在彎曲頂點處受到平行于電極層(20)的拉應力作用。
全文摘要
本發明涉及一種增大了行程能力的壓電執行器。壓電執行器(1)由壓電層(10)以及在厚度方向具有材料梯度的第二層(20)構成。電場在壓電層(10)和第二層30中產生不同的膨脹狀態，該膨脹狀態與外加機械預應力相結合，就可使壓電執行器(1)的行程增大。壓電執行器適合于低電壓應用，例如生物與醫療技術領域(微型泵，微型閥)、電子工業領域(氣動閥)和微型執行器及微型馬達。
文檔編號H01L41/09GK101228643SQ200680022338
公開日2008年7月23日 申請日期2006年6月12日 優先權日2005年6月22日
發明者A·沃爾夫, C·舒, T·斯坦科普夫 申請人:西門子公司