專利名稱：壓電元件和裝有壓電元件的振蕩變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求前序的一種把壓力信號變換成電信號和反向變換的壓電元件以及裝有壓電元件的振蕩變換器。
振蕩變換器有許多不同的用途，可以用于擴(kuò)音器，尤其是新聞播送用的接觸式傳聲器，用于加速記錄器、聽診儀器、地震地面檢測儀器及類似設(shè)備，和用于安全信號系統(tǒng)以及其它裝置。
從歐洲專利O 515 521 B1中知道一種壓電陶瓷的加速記錄器，包括由玻璃或陶瓷制成的箱形的兩部分組成的殼體，殼體內(nèi)形成中空的空間，在殼體的兩部分之間固定壓電板，此板進(jìn)入中空的空間。壓電陶瓷板在其邊角部分裝有電極，此邊角部分充當(dāng)兩個半殼體之間的固定機(jī)構(gòu)，兩個半殼體有金屬化部分，由此可以用來接觸帶有通到電路的接觸連接位置的電極。
根據(jù)本發(fā)明，此目的通過獨(dú)立權(quán)利要求和附屬權(quán)利要求的特征得到實(shí)現(xiàn)。
通過采用附屬權(quán)利要求中規(guī)定的措施，可以進(jìn)行有意義的進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn)。
多孔的壓電陶瓷應(yīng)理解為是一種基于固化的鋯酸鈦酸鉛混合物的壓電陶瓷材料，具有壓電性能和微孔。這種多孔的壓電陶瓷，根據(jù)陶瓷體包圍封閉的，即隔離的，還是敞開的，即互相連通的微孔，多孔的壓電陶瓷分別屬于對應(yīng)結(jié)合3-0或3-3的壓電混合材料。
已經(jīng)顯示出，隨著從高剛性和少孔的陶瓷轉(zhuǎn)到高度多孔壓電陶瓷，大大提高了作為靈敏度測量標(biāo)準(zhǔn)的壓電電壓常數(shù)ga(空氣聲敏感度/壓電陶瓷厚度)，而在材料中的孔隙率多于30％體積時，會發(fā)生陶瓷的彈性變形的非線性增加和泊松比值的減少，即對應(yīng)于陶瓷孔隙率的增加，橫向收縮系數(shù)減小。第一個性質(zhì)可保證高靈敏度，第二個性質(zhì)會有這樣的作用，對于所有側(cè)面都會產(chǎn)生空間作用的機(jī)械振蕩，壓電電壓常數(shù)ga即靈敏度的量值全部保留在極化軸上。對于實(shí)心陶瓷，由于主軸即極化軸的信號分量與第二軸的反相信號分量是疊加的，壓電常數(shù)會降低，從而變得不太靈敏。
這種影響對帶有開氣孔的多孔陶瓷最為明顯，盡管陶瓷體孔隙率增加了，但其機(jī)械強(qiáng)度降低了，以致通常不采用高度多孔陶瓷。為了提高帶有開氣孔的高度多孔壓電陶瓷的機(jī)械穩(wěn)定性，已知道采用各種復(fù)合聚合物來充填孔，盡管同時會大大降低體積壓電靈敏度。典型的充填物是環(huán)氧樹脂和硅像膠。
根據(jù)本發(fā)明的多孔陶瓷體由開氣孔所組成，并至少在沒有被電極占用的表面采用彈性涂層的事實(shí)，壓電元件的壓電電壓常數(shù)得到很大提高，而且彈性涂層提高了陶瓷體的機(jī)械強(qiáng)度。同時，陶瓷體在整個表面上由涂層密封時，具備了特別的優(yōu)點(diǎn)。
彈性涂層的作用，除了增加較高孔隙率陶瓷體的機(jī)械強(qiáng)度，這樣陶瓷體才能用于將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號和反向變換的壓電元件之外，其作用還在于這樣的事實(shí)，由于這種涂層具有使聲波在壓電元件的內(nèi)部體積與周圍介質(zhì)之間產(chǎn)生壓力降的作用，因此增加了壓電元件的變形性。由于高度多孔壓電陶瓷的低泊松比值，增加的體積變形被轉(zhuǎn)換成單軸變形，主要是縱向變形，這是由于直接壓電效應(yīng)激活了壓電元件電極上的電荷的結(jié)果。最終結(jié)果是體積輸出信號由多孔陶瓷壓電元件轉(zhuǎn)換成足夠高的電信號。如果不用彈性涂層，因?yàn)闆]有壓力梯度，壓電元件的變形就相當(dāng)小，結(jié)果其壓電電壓常數(shù)也就同樣較低。
通過最好的方式，多孔陶瓷體的整個橫斷面面積上基本是均勻的，以至于互相連通的開氣孔的分布是基本均勻的。為了外來材料不破壞可增加陶瓷體內(nèi)壓力差的“通氣”，微孔只用空氣或氣體來填充，不用固體的填充材料，避免采用不同材料的夾層結(jié)構(gòu)。
此外，彈性在10和50肖氏硬度之間，最好在10和30肖氏硬度之間的彈性涂層的厚度根據(jù)可使材料不受限制地變形來選擇。此厚度在0.1至0.5mm范圍內(nèi)，最好在大約0.1至0.5mm之間。
孔隙率最好盡可能的高，上限應(yīng)由要求的強(qiáng)度、希望的靈敏度和制造方法來決定。
通過本發(fā)明的振蕩轉(zhuǎn)換器是由壓電元件所組成，其采用具有開氣孔的多孔陶瓷體，元件的一個端面基本上剛性固定在殼體的基底上，其相對的端面為敏感的表面，殼體的容積中至少部分地充填澆注的化合物，在殼體內(nèi)壓電元件與澆注的化合物機(jī)械去耦的事實(shí)，實(shí)現(xiàn)了振蕩變換器對具有良好信號一噪聲此的振蕩信號有高靈敏度，由于采用機(jī)械去耦，振蕩變換器的振幅—頻率響應(yīng)有了改善，而且由于把多孔陶瓷體剛性連接在殼體的基底上以及環(huán)繞了澆注的化合物，使靈敏度是定向的。
還有更多的優(yōu)點(diǎn)，殼體是設(shè)置在一個由吸震材料制成的框架上并連接在框架上，即進(jìn)行彈性和減震固定，由此，變換器對外來振蕩的靈敏度大為降低，同時對作用在前面的振蕩保持高靈敏度，這種效果甚至還可提高，如果框架是由包圍殼體的套筒和底板所組成，其中套筒與殼體之間和底板和殼體之間形成中間空間，在此空間內(nèi)填充減震或吸震介質(zhì)。
壓電電壓常數(shù)gH是按照下列公式算出的gH＝r/h其中r是陶瓷體的空氣聲靈敏度，單位是毫伏/帕斯卡，h是陶瓷體高度，在1000赫頻率時在反射不良的空間測得。所得的結(jié)果列于表1。
表1位號涂層材料 gH(參數(shù)層厚度h＝0.5mm)[毫伏·米/牛頓]1 環(huán)氧樹脂 282 有機(jī)玻璃 283 聚氨脂 2524 硅橡膠 2805 合成異戊二烯橡膠 2946 無涂層 14從表中所列數(shù)據(jù)可以看出，通氣的多孔陶瓷元件由于采用彈性涂層，可以保持高的壓電電壓常數(shù)，而同樣的陶瓷體，由于未采用涂層，其靈敏度下降到帶有涂層的二十分之一。同樣可以從表1推導(dǎo)出，無彈性的涂層只能把壓電電壓常數(shù)提高一倍。
彈性涂層對壓電靈敏度的正面影響發(fā)生在較寬的頻帶寬度范圍內(nèi)，表2列出了根據(jù)頻率的壓電電壓常數(shù)gH(毫伏·米/牛頓)，用于彈性的和無彈性的涂層。
表2頻率(赫茲) 10100 1000 5000 10000 15000gH(采用彈性涂層)230 250 280 230250 265gH(采用無彈性涂層) 10142828 28 28比較孔隙率(通氣的或封閉的孔)的性質(zhì)，微孔的大小只對壓電靈敏度有輕微的影響。表3列出壓電元件的靈敏度值，元件具有根據(jù)微孔大小的同樣的通氣孔隙率，采用硅橡膠涂層。
表3微孔大小(微米) gH[毫伏·米/牛頓]20-80 28050-200 308100-500 300500-1000280在根據(jù)表4的另一示例中，列出了根據(jù)沒有另外物質(zhì)作用的涂層材料厚度的壓電靈敏度，孔隙率為56％。
表4層厚度[mm] 0.00.1 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5空氣載聲靈敏度0.02 0.7 0.7 0/7 0.45 0.33 0.21[毫伏/帕斯卡]固體載聲靈敏度1.225272015117[毫伏/克]從表中可以確認(rèn)，采用0.1和0.5mm的層厚度可以達(dá)到最高的靈敏度。
采用這種壓電元件，可以達(dá)到比現(xiàn)有技術(shù)所達(dá)到的高得多的壓電靈敏度，而且它的設(shè)計比較簡單。與實(shí)心壓電陶瓷的壓電元件相比，根據(jù)本發(fā)明的壓電元件所具有的壓電電壓常數(shù)幾乎高出兩個數(shù)量級，其特征在于有一個寬的頻譜(10赫茲至200赫茲)和均勻的振幅頻率響應(yīng)，由此使聲頻帶寬的波動不超過6分貝。
圖2所示是使用上述壓電元件的振蕩變換器。振蕩變換器由裝在殼體8內(nèi)的壓電元件22所組成，在殼體內(nèi)，壓電元件22被充滿殼體8的澆注的化合物5包圍。殼體8形成盒狀并在一側(cè)打開，圖2中是在頂部打開，壓電元件2少許突出澆注的化合物5的平面之外并作為壓電元件22第三的傳感器表面。殼體8即壓電元件22和澆注的化合物5由屏蔽箔6覆蓋，屏蔽箔包括金屬箔或極細(xì)的金屬絲織物，或金屬化的塑料箔或?qū)щ姷木酆衔?。殼體包括一個被法蘭環(huán)7圍繞的法蘭狀邊緣，法蘭環(huán)7與屏蔽箔6和殼體8的邊緣接合。
壓電元件22裝有電極，用于發(fā)送電信號。電極2連接至阻抗變換器電路20，由它來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電氣適配。上電極2通過接頭16接至屏蔽箔6，而下電極2通過導(dǎo)線10接至阻抗變換器電路20。連接電纜18通到外面。
為了機(jī)械穩(wěn)定法和增加壓力梯度，多孔陶瓷體1配備了彈性涂層4，將陶瓷體1的整個表面密封。
對于圖2的振蕩變換器的制造，多孔陶瓷體1采用彈性聚合物涂層4，其一個端面上通過剛性接頭19連接到殼體基底的附著層上。帶有彈性涂層4的陶瓷體1連接到松動的蓋板9上，即通過非剛性連接，蓋板可以是推到陶瓷體1上的硅制成的管狀材料，然后殼體完全地或部分地充填澆注的化合物，可采用環(huán)氧樹脂或用其它弱彈性的化合物。由此，蓋板9把壓電元件22與澆注的化合物5隔開，形成機(jī)械去耦。連接于兩個電極的阻抗變換器電路被同時一起澆注的并且被澆注的化合物5所包圍。
按照圖2這樣的布置，使得陶瓷體的后側(cè)能最大程度地由殼體8的惰性物質(zhì)所“充填”，而前側(cè)能最大程度地“開放”，由此提高了振蕩變換器在前側(cè)的靈敏度，同時降低了后側(cè)的靈敏度。由于壓電元件的項(xiàng)表面或側(cè)表面采用保護(hù)蓋板9，從而可允許使用弱彈性材料來澆注殼體，同時不會損及變換器的靈敏度，這樣就有可能把變換器的自諧振移入高頻率區(qū)，由此來改善它的在低頻率區(qū)的振幅頻率響應(yīng)。
正如已經(jīng)介紹過的那樣，這樣的變換器可以用作接觸噪聲或碰撞噪聲擴(kuò)音器，只有壓電元件的端面伸出殼體8的前側(cè)外面，可以與信號源的表面接觸。
圖2所示的變換器的一個實(shí)例，高度為5.8mm，直徑是21.5/18.0mm，重量約7克；它的碰撞噪聲發(fā)送系數(shù)是1500毫伏/克，在50-5000赫茲頻率范圍內(nèi)的振幅頻率響應(yīng)處于6分貝公差范圍內(nèi)，變換器前側(cè)和后側(cè)的靈敏度比值約20分貝。
圖3所示是另一個實(shí)施例，在圖中變換器由10表示，可以具有圖2的結(jié)構(gòu)。
下面是該實(shí)施例的介紹，殼體9的邊緣13由一個彈性吸音材料的圓柱形套筒11所支撐，套筒沿圓周圍繞殼體8。此外，還配置盒狀蓋帽12，把帶有套筒11的殼體8放入蓋帽內(nèi)，其中吸音材料的套筒11的一邊通過連接區(qū)14連接至法蘭狀邊緣13，另一邊連接至蓋帽12的基底上。同時在殼體1的基底與蓋帽12的基底之間形成中間空間15，其中充裝吸震介質(zhì)。此介質(zhì)可以是空氣、真空、液體或其它物質(zhì)。
在這個實(shí)施例中采用了蓋帽，也可以采用別的設(shè)計，只要可以使振蕩變換器10對外來的振蕩不敏感，然而變換器的彈性吸音懸掛裝置和中間空間的基本概念仍屬于雙基底的方式。
依靠這樣的布置，實(shí)現(xiàn)了大大降低而對某些頻率來說實(shí)際上完全抑制了變換器對外來振蕩的靈敏度，同時保持對從正面作用變換器的振蕩信號的高靈敏度，而變換器的厚度只有最小的增加。包圍變換器殼體的套筒是用彈性吸音材料制成，其形狀像一個圓筒，一側(cè)固定在殼體的前側(cè)，而另一側(cè)固定在推向變換器的蓋帽的基底上，或者還可以只固定在外面的盤片上。同時，在變換器殼體與盤片之間或在殼體與蓋帽基底之間，形成雙基底方式的中間空間，可以往里面填充氣體、真空、液體或其它的吸震介質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種壓電元件，可把壓力信號變換成電信號和反向變換，具有多孔陶瓷體和至少兩個連接在所述陶瓷體的電極，其特征在于，所述多孔陶瓷體(1)具有開氣孔，以及在至少沒有被所述電極(2)占用的表面上設(shè)置用于在所述陶瓷體內(nèi)增加壓力梯度的彈性涂層(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，所述彈性涂層(4)形成密封并覆蓋帶有電極的所述陶瓷體(1)的整個表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其特征在于，所述多孔陶瓷體是用鋯酸鈦酸鉛的混合物制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，孔隙率至少是10％，最好超過30％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電元件，其特征在于，所述孔隙率最好處于50和70％之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，所述涂層(4)是由硅橡膠、異戊二烯橡膠或聚脂或同類材料所制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，所述涂層的厚度在0.1至1.5mm范圍內(nèi)，更好是在0.1mm至1.0mm之間，最好在0.1至0.5mm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，所述涂層的彈性處于10至50肖氏硬度的范圍內(nèi)，最好是在10和30肖氏A硬度之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，所述帶有開氣孔的多孔陶瓷體基本上是均勻的。
10.帶有根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述壓電元件的振蕩變換器，所述壓電元件設(shè)在殼體內(nèi)，其中所述壓電元件的一個端面以剛性連接至所述殼體的基底，而與之相對的端面就是對來自外部空間的振蕩敏感的表面，所述殼體(8)內(nèi)所述壓電元件(22)被澆注的化合物(5)所包圍并與所述化合物機(jī)械去耦。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的振蕩變換器，其特征在于，所述壓電元件(22)的側(cè)周邊表面設(shè)有松動地連接至所述壓電元件的保護(hù)蓋(9)，其作為機(jī)械去耦機(jī)構(gòu)將所述澆注的化合物(5)與所述壓電元件(22)隔開。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的振蕩變換器，其特征在于，所述壓電元件(22)的所述電極(2)被連接至阻抗變換器電路，所述電路被澆注到所述澆注化合物(5)內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的減振器，其特征在于，所述壓電元件(22)的敏感端面突出于所述殼體(8)之外。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的振蕩變換器，其特征在于，所述敏感的端面被金屬箔、金屬絲織物、金屬化的塑料箔或?qū)щ姷暮铣上鹉z復(fù)蓋。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項(xiàng)所述的振蕩變換器，其特征在于，所述殼體(8)放置在吸振材料制成的框架(11、12)上并與所述框架連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的振蕩變換器，其特征在于，所述框架包括套筒(11)和底板，所述套筒至少部分地包圍所述殼體(8)，在所述套筒(11)與所述殼體(8)之間形成中間空間(15)，其中充滿減振介質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的振蕩變換器，其特征在于，所述套筒(11)固定在所述殼體(8)的法蘭(13)上，而所述底板是包圍所述殼體(8)的蓋帽(12)的組成部分。
全文摘要
提出一種壓電元件，用于將壓力信號變換成電信號和反向變換，其具有多孔的均質(zhì)陶瓷體和至少兩連接在陶瓷體上的電極。多孔的陶瓷體具有開氣孔并且最好用彈性涂層在整個表面上進(jìn)行密封。此外，還提出一種帶有設(shè)置在殼體內(nèi)的壓電元件的振蕩變換器。壓電元件的一個端面剛性連接到殼體的基底上。另一端面就是對振蕩敏感的表面，最好不要被殼體蓋住。殼體的容積由澆注的化合物充滿，其中壓電元件與澆注的化合物機(jī)械去耦。
文檔編號H01L41/09GK1400677SQ0212737
公開日2003年3月5日 申請日期2002年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月27日
發(fā)明者M·比爾斯, P·巴達(dá)爾延, T·盧佩科, S·波爾亞科瓦, E·布拉塞瓦 申請人:霍爾姆堡有限責(zé)任兩合公司