本发明专利技术涉及一种压电元件（1），具有由上下叠置的压电层（2，2’，2”，2’”，3，3’，3”，3’”）和设置在其间的电极层（4，5）组成的堆（1a）。该堆（1a）具有至少一个带有第一压电充电常数的第一压电层（2）和至少一个直接与第一压电层（2）相邻的、带有第二压电充电常数的第二压电层（3）。所述压电充电常数描述当在所述电极层（4,5）上施加电压时压电层（2,3）垂直于电场的伸展。所述第一压电充电常数与所述第二压电充电常数不同。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有压电层的压电元件。
技术介绍
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 Cl 和 DE 103 07 825 Al 中公开了压电执行器。
技术实现思路
本专利技术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。在压电兀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I. 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I. 2至3. 0倍，优选是I. 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°C至200°C。因此，通过所涉及的对压电层居里温度的选择可以实现压电层在电场中的不同伸展，这导致有目的地形成裂缝，特别是在压电层之间的接触边界上，以及导致裂缝基本上平行于电极层的延伸。第一压电层和第二压电层的居里温度之间的差别可以是20°C至200°C，优选20°C至80°C。居里温度的差别例如可以通过对压电层的、优选不同的掺杂来实现。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在至少一个下述特性上不同陶瓷材料、掺杂物质、掺杂物质浓度、分别使用的原材料的颗粒大小、层厚。为了制造具有不同压电充电常数的第一和第二压电层，可以使这些层恰好在上述特性中的一个上不同，或者也可以在上述特性中的多个上不同。在此，如果使第一和第二压电层在恰好一个上述特性上或若干上述特性上不同，则对于制造过程的可处理性以及经济性来说都是有利的。第一压电层例如可以具有含铅的陶瓷材料，如基于铅-锆-钛酸(PZT)的陶瓷材料。第二压电层可以具有无铅的陶瓷材料。替代地，第一和第二压电层可以分别具有无铅的陶瓷材料并且在上述特性之一上、例如陶瓷材料的掺杂上不同。所述元件的一种实施方式规定，第一和第二压电层分别具有由多种化学元素形成的陶瓷材料，其中这些元素分别处于特定的浓度下。第一和第二压电层可以在陶瓷材料的至少一种元素的浓度方面不同。对于第一压电层和第二压电层分别由作为陶瓷材料的PZT构成的情况，第一和第二压电层例如可以在钛含量上、即元素钛的相应浓度上彼此不同。所述元件的一种实施方式规定，第一和第二压电层分别具有由相同化学元素形成的陶瓷材料，其中，陶瓷材料根据该陶瓷材料中至少一种元素的浓度而具有两种不同的结构。分别这样选择第一和第二压电层中陶瓷材料的至少一种元素的浓度使得第一压电层包括具有第一种结构的陶瓷材料，而第二压电层包括具有第二种结构的陶瓷材料。换言之，陶瓷材料可以具有所谓的准同形相界，其位于陶瓷材料的第一种结构和第二种结构之间。由此，第一和第二压电层具有一种元素浓度不同的陶瓷材料，从而使所涉及的陶瓷材料根据该一种元素的浓度而具有相变(Phasenubergang),并使第一压电层中的陶瓷材料以不同于第二压电层中陶瓷材料的结构存在。在此准同形相界不必标识严格定义的相变，而是还可以表示在两个晶体结构之间的连续过渡。优选第一和第二结构的不同导致第一和第二压电层中压电充电常数的不同。PZT例如具有在约50 mol%钛和约50 mol%锆的区域内的准同形相界，在此，这些值取决于陶瓷材料的确切组成。随着钛含量的增加，从约46 mol%钛开始，压电充电常数一 直升高至超过该准同形相界，从而对于压电元件来说，例如可以选择第一压电层具有少于46 mol%的钛含量而第二压电层具有约48 mol%的钛含量。通过对第一和第二压电层选择其元素相同的陶瓷材料，并且该陶瓷材料对于第一和第二压电层来说至少有一种元素在浓度上不同，得到这样的优点能够准确地控制压电层中的、在第一和第二压电层之间的接触边界上的应力。特别是通过陶瓷材料中至少一种元素的浓度的不同、也就是在上述例子中例如通过改变陶瓷材料中的钛含量，可以匹配第一和第二压电充电常数。在此可以存在掺杂物质，优选分别相同的掺杂物质以及掺杂物质浓度相同的掺杂物质。对于第一和第二压电层使用相同的掺杂物质特别是在处理本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.01.27 DE 102010005906.41.一种压电元件(1)，具有由上下叠置的压电层(2，2’，2’’，2’’’，3，3’，3’’，3’’’)和设置在压电层间的电极层(4，5)组成的堆(la)，其中，该堆(Ia)具有至少一个带有第一压电充电常数的第一压电层(2)和至少一个直接与第一压电层(2)相邻的、带有第二压电充电常数的第二压电层(3)，其中，所述压电充电常数描述当在所述电极层(4，5)上施加电压时压电层(2，3)垂直于电场的伸展，以及其中，所述第一压电充电常数与所述第二压电充电常数不同。2.如权利要求I所述的压电元件(1)，其中，分别将第一和第二压电层(2，3)选择为在该两个压电层(2，3)之间构成接触边界(6)，并且其中所述第一压电层(2)的压电充电常数和所述第二压电层(3)的压电充电常数的差别大到足以使得当在所述电极层(4，5)上施加电压时压电层(2，3)的伸展导致形成裂缝，所述裂缝位于接触边界(6)的区域内并基本上平行于电极层(4, 5)延伸。3.如权利要求I或2所述的压电元件(I)，其中，所述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I. 2至3. O倍。4.如权利要求I至3中任一项所述的压电元件(1)，其中，所述第一压电层(2)和所述第二压电层(3)具有不同的居里温度。5.如权利要求4所述的压电元件(1)，其中，所述第一压电层(2)和所述第二压电层(3)的居里温度之间的差别是20°C至200°C。6.如权利要求I至5中任一项所述的压电元件(1)，其中，所述第一压电层(2)和所述第二压电层(3)在至少一个下述特性上不同陶瓷材料、掺杂物质、掺杂物质浓度、原材料的颗粒大小、层厚。7.如权利要求6所述的压电元件(1)，其中，第一和第二压电层(2，3)分别具有由多种元素形成的陶瓷材料，其中这些元素分别处于特定的浓度下，以及其中第一和第二压电层(2，3)在所述陶瓷材料的至少一种元素的浓度方面不同。8.如权利要求7所述的压...
【专利技术属性】
技术研发人员：A格拉朱诺夫，O德诺夫塞克，
申请(专利权)人：埃普科斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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