专利名称：制造有一堆压电材料和中间电极的交错层的致动器的方法
技术领域：
本发明的目的是一种用于制造基于压电材料的致动器的方法，更具体地是一种包括至少一堆电极层和压电材料层的致动器。该致动器可用于流体喷射器中，例如在机动车辆行业中是燃料喷射器。
背景技术：
燃料喷射器被用来产生非常精细的燃料喷射以改善燃烧并减少污染排放。压电超声流体喷射器使得燃料能够穿透被控制的燃烧室，这也可能导致较差的或层状的混合的运行。压电的或磁致伸缩的超声波流体喷射器可以被用来喷射
-直接喷射或预燃室柴油引擎中的柴油或任何其他燃料；-所谓的直接或间接喷射的汽油引擎中的汽油或任何其他燃料；-内燃机或燃气涡轮等中的任何其他燃料；和-用于再生除污染系统的任何流体，例如氮氧化物捕集器或微粒捕集器，其统称为微粒过滤器(PF)。超声波喷射器通过分裂流体来产生流体喷射。图I示出了这种喷射器I。喷射器I包括喷射体2和流体入口 3，流体经由该入口 3以高压进入。喷射器I使得流体经过振荡机械设备，该设备是通过将针阀的头部4与其底座40分离而获得的孔。这个孔以超声波频率打开和关闭。机械激励源是一堆5压电陶瓷或者以磁致伸缩材料或具有类似属性材料的杆。这些电活性材料是由合适的电源供电的。下文将描述有源阵列，即致动器，其包括一堆压电材料层。这个有源阵列可以用于关闭喷嘴喷射器和打开喷嘴喷射器二者中。压电陶瓷堆通常采取两种形式。一方面，已经知道具有I至5毫米单位厚度的厚陶瓷层堆的形式是使得预应力螺钉能够轴向穿过所述堆的环或有穿孔的圆盘，其中中间电极是由几十或几百微米的金属合金构成的。这种组合在工业制造中存在技术上和经济上的问题。这是因为为了获得优良的可再生性，这种装配需要与为使得预应力螺钉能够插入而对构件钻孔有关的额外加工。这种装配还需要每个陶瓷和每个中间电极的每个表面上具有亚微米公差的平整度，这意味着在所述构件被安装到所述堆中之前，每个构件的两个表面都必须被仔细地抛光。另一方面，已经知道包括几微米(例如约5微米)厚度的中间电极并且具有通常为约100微米的较小单位厚度的陶瓷层的堆，其中中间电极被沉积在陶瓷上。在这种情况下，中间电极例如利用填充以导电材料的聚合物而连接到连接电极，并且接触区域在几微米(例如5微米)的高度上与中间电极局部接触。这种装配的问题一方面在于难以制造连接，另一方面在于该连接在接触区域中是机械脆弱的，其不超过5微米。这种装配因而不适于生成功率超声波，并且无法适当地承受由于导电聚合物与燃料反应而产生的碳氢化合物的液体或气体的存在。功率超声波是通过以超声波频率(通常是IOkHz到IOOkHz)进行大幅度(近似为5到10微米)、高负荷(约为40MPa)振荡运动而生成的。与功率超声波有关的一个问题是它可能在中间电极与连接电极接触的接合处产生较大的剪切应力。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺陷。本发明特别地提供了一种使得包括一堆厚电极和压电材料层的致动器能够以高精确度而被简单经济地制造的方法。本发明的目的因而是一种用于致动器的方法，该致动器适于生成功率超声波并且包括一堆中间电极和压电材料的交错层。根据本发明的方法包括下列步骤 -构成初始的一堆中间电极和压电材料的交错层，该堆的每一端是压电材料或中间电极层；-将相邻层安全地彼此接合；-将所述初始堆切割成基本块；并且-在每个基本块中将中间电极层彼此连接。有利地，将相邻层安全地彼此接合的步骤是胶合或焊接的步骤。所述方法可以包括通过焊接将电极连至中间电极层的相应可见表面的步骤。中间电极层可以具有几百微米的厚度。中间电极层因而具有100微米到I毫米的厚度。中间电极层可以利用连接电极而彼此连接，该连接电极具有用于接收基本块的中间电极层的切口，并且该连接电极可以至少部分上被定位在初始堆的压电材料层中的凹口中。所述初始堆的压电材料层的凹口可以通过在压电材料层中制造的穿孔处切割该压电材料层而获得。所述初始堆的压电材料层的穿孔优选地是圆形的。所述穿孔可以通过钻孔而获得。所述初始堆的压电材料层有利地具有两个设有凹口的相对端部，并且该初始堆的中间电极层可以具有设有凹口的单个端部。所述初始堆的两个连续中间电极层的各个设有凹口的端部有利地彼此相对地定位。
参考附图，通过阅读下面作为说明性而非限制性例子所给出的描述，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，其中-已经描述的图I示出了燃料喷射器；-图2A至2G示出了根据本发明的第一实施例的用于制造致动器的方法的各个步骤；-图3A到3F示出了根据本发明的第二实施例的用于制造致动器的方法的各个步骤；
具体实施例方式在该方法开始时，压电陶瓷和中间电极应当事先被装配，要注意准确地对齐陶瓷和电极堆。这实现了厚陶瓷(厚度为几毫米)和中间电极(厚度为几百微米)的多层整体件。陶瓷必须与中间电极交错地叠放从而能够利用在每个陶瓷层中施加的电场来激励它们。通过对位于所述陶瓷层的两个相对表面上的两个中间电极的端子施加电压来产生所述电场。如图2A所示，该方法开始于堆叠较大的压电陶瓷板6和较大的中间电极片7。压电陶瓷板6可以典型地具有150毫米X 100毫米的大小和I毫米至5毫米的厚度。中间电极7可以是具有150毫米X 100毫米的大小和优选地100微米至I毫米的·厚度的金属片。它们通常是由铜、钛或银合金制成的。所选的金属取决于要优化的参数，例如声学传输；焊接或胶合界面上的应力降低；和中间和连接电极的容易连接。在第二个步骤中，如图2B所示，堆5被焊接或胶合从而获得平行六面体5。平行六面体5的六个平面可以被调整成获得近乎完美的几何形状。这个平行六面体5通常具有150毫米X 100毫米的大小和40毫米的高度。平行六面体5、压电陶瓷板6和中间电极片7的大小和形状已经作为非限制性例子而给出。例如，可以使用具有100毫米XlOO毫米的横断面面积的板和片。焊接或胶合是一种装配工艺，其能够填补和纠正平整度缺陷并且避免对中间电极片7和压电陶瓷板6的两个表面进行超精细抛光这一需求。安全接合所述板和片的另一个优点是在今后首先操纵平行六面体5然后操纵基本块5A期间不必求助于桥接装置。然后，切割平行六面体5以获得基本块5A。基本块5A优选地具有适于制造致动器的大小，即约为15毫米X 15毫米X40毫米(图2C)。该致动器能够生成用于上述超声波喷射器的功率超声波。在另一个非限制性例子中，该大小可以是20毫米X20毫米X40毫米。图2D示出了具有正方形横截面的基本块5A，其面积例如是15毫米乘15毫米，这是通过对焊接的或胶合的平行六面体5进行切割而产生的。为了互连中间电极7以在每个压电陶瓷层6中获得电场，并且为了同相地恢复通过每个陶瓷层6所感应的移动，必须使用连接电极8。图2E、2F和2G中示出了第一实施例。根据第一实施例，连接电极8是波浪型的并且包括与中间电极7接触的平面。连接电极8例如借助于激光束而焊接到中间电极7。中间电极7和连接电极8在中间电极7的可见表面上接触。接触和激光焊接是可行的，因为使用了厚度为几百微米的中间电极7，优选地是100微米到I毫米。将这个厚度与在多层堆中采用的利用导电胶合而连至连接电极的几微米厚的非常薄的中间电极相比较。具体地，将中间电极7和连接电极8焊接(例如点焊接)在一起，就剪切应力而言提供了适用于功率超声波的更强接合。焊接可以是在中间电极7与连接电极8之间的全部或部分接触区域上的点焊接。图2F示出了完整的装配好的堆。
在通过焊接实现装配的情况下，该方法可以优选地结束于利用本领域技术人员已知的技术使得基本块5A极化(polarization)的步骤。这个操作是通过施加合适的电压并且通过将所述堆浸入具有合适温度的电介质油9中(图2G)来执行的。在该第一实施例中，可以看到，中间电极7和连接电极8通过平坦区域而连接，并且连接电极8的形状被适当地设计成使它们与具有相反电势的中间电极7保持足够远的距离，从而防止产生电弧和短路。在图2E、2F和2G中，这个适当设计的形状包括在两个平坦区域之间设置的波浪形。图3A到3F示出了第二实施例。在该第二实施例中，可以设想使用在每个中间电极7处开切口的厚的直线形连接电极8，如图3A所示。这种连接电极8使之能够获得更紧凑的致动器基本块5A。切口 8A使之能够增加连接电极8与中间电极7之间的接触区域。切口 8A优选地对应于在连接电极8的整个宽度上制造的凹槽。为了在切口 8A处将连接电极8连至中间电极7，必须在所有压电陶瓷层6的面对连接电极8的那些表面中制造凹口 6B。为了使得连接电极8与具有相反电势的中间电极7之间具有足够远的距离，还必须在这些中间电极7的面对连接电极8的那些表面中制造凹口 7B。这样，防止了在连接电极8与具有相反电势的中间电极7之间产生电弧或短路。凹口 6B和/或7B例如可以近似为半圆形。这些半圆形可以通过切割孔或钻孔而获得。在该实施例中，用于制造致动器的方法因而可以包括对压电材料板6和中间电极片7钻孔的步骤。根据图3B、3C和3D，孔6A是在压电陶瓷板6中制成的。一组孔6A是在板6的整个宽度上制成的。这些孔6A的中心以基本上等于在切割平行六面体5后获得的基本块5A的宽度的孔间距而被间隔开。这组孔6A然后在板6的长度方向中被重新制造，其间隔约等于在切割后获得的基本块5A的宽度。这个间隔是在经过孔6A的中心的每一组的轴之间被限定的。孔7A在中间电极片7中以相同的方式被制成，从而构成跨越片7的整个宽度的一组孔。然而，该组孔7A是以片7的长度方向中的双倍间隔而被重新制造的。例子对应于制造具有正方形截面的基本块5A。不言而喻，这个例子决不是限制性的，并且本领域技术人员能够根据要制造的基本块的横截面来更改孔的位置。孔6A和7A是在陶瓷板6上并且在中间电极片7中被制造的。这些板6和片7通过焊接或胶合而交错地接合并且平行六面体5因而在其宽度方向中经由孔6A的中心而被切割。图3B示出了对压电陶瓷板6和中间电极7钻孔。陶瓷板6因而包含孔6A，而中间电极7包含孔7A。因此，沿该板的长度方向，中间电极片7的孔比陶瓷板6少两倍。此外，两个连续的中间电极片7通过使得一个片相对于另一个转半圈而获得。这样做的优点是所制造的中间电极片7相同并且交错地转动以制造堆。然后，压电陶瓷板6和中间电极片7交错从而构成堆5 (图3C)。在焊接或胶合之后，获得平行六面体5 (图3D)，其被切割成基本块5A (图3E)。切割是沿着在宽度方向中经过陶瓷板6的孔6A的中心的轴来执行的，并且切割是沿着经过与长度平行的轴6A的各行中间的轴来执行的。
接着，在凹口 8A处将有凹口的连接电极8置于中间电极7上并且在凹口 8A与中间电极7之间的接触表面上例如通过激光束来执行焊接。因而获得了相连的基本整体堆5A，如图3F所示。通过激光束进行焊接不是限制性的，并且所有合适的并且本领域技术人员已知的焊接模式都是适用的。最后一个操作可以在于根据本领域技术人员已知的技术来使得所述堆极化，特别是在通过焊接进行联结的情况下。这个操作时通过施加合适的电压并且通过将所述堆浸入具有合适温度的电介质油中，如上文所述。具有正方形截面的基本块5A可能是不合适的，需要圆形横截面。在专用于第二实施例的这个变型中，开始于具有凹口的基本块5A，并且在焊接连接电极之前，将具有正方形截面的基本块5A转至加工机器以将其转变成具有圆形截面的整体。连接电极的凹口的形式可以是适合于圆盘形中间电极的。
在该情况下，凹口有利地允许中间电极与连接电极接触。接触的质量因而等同于利用具有正方形截面的整体基本块所获得的接触质量。
权利要求
1.一种用于制造致动器(5)的方法，所述致动器适于生成功率超声波并且包括一堆中间电极(7)和压电材料(6)的交错层，其特征在于，包括以下步骤 -构成中间电极(7)和压电材料(6)的交错层的初始堆，所述堆(5)的每一端是压电材料(6)或中间电极(7)层， -将相邻层(6、7)安全地彼此连接， -将所述初始堆(5)切割成基本块(5A)，和 -在每个基本块(5A)中将中间电极层(7)彼此相连。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将相邻层(6、7)安全地彼此连接的步骤是胶合或焊接的步骤。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，包括通过焊接将连接电极8连至所述中间电极层(7)的相应可见表面。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中间电极层(7)的厚度是在100微米至IJ I毫米之间。
5.根据权利要求I至4之一所述的方法，其特征在于，所述中间电极层(7)是借助于具 >有凹口(8A)的连接电极(8)而彼此相连的，所述凹口用于接收所述基本块(5A)的中间电极层(7)，并且所述连接电极(8)至少部分上被置于所述初始堆(5)的压电材料层(6)的凹口(6B)中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述初始堆(5)的压电材料层(6)中的凹口(6B)是通过在所述压电材料层(6)中所制造的孔(6A)处切割该压电材料层(6)而获得的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述初始堆(5)的压电材料层(6)中的孔(6A)是圆形的。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述孔(6A)是通过钻孔而获得的。
9.根据权利要求5至8之一所述的方法，其特征在于，所述初始堆(5)的压电材料层(6)具有两个相对的有凹口(6B)的端部，并且所述初始堆(5)的中间电极层(7)具有单个有凹口(7B)的端部。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述初始堆(5)的两个连续的中间电极层(7)的各自的有凹口(7B)的端部位于彼此相对的位置。
全文摘要
一种用于制造致动器(5)的方法，所述致动器适于生成功率超声波并且包括一堆中间电极和压电材料的交错层，该方法包括以下步骤构成中间电极和压电材料的交错层的初始堆(5)，所述堆(5)的每一端是压电材料或中间电极层；将相邻层安全地彼此连接；将所述初始堆(5)切割成基本块；和在每个基本块中将中间电极层彼此相连。
文档编号H01L41/277GK102918672SQ201180022212
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月5日 优先权日2010年5月6日
发明者N·马莱克, L·勒万 申请人:雷诺股份公司