專利名稱：使壓電致動(dòng)器產(chǎn)生電接通及使該壓電致動(dòng)器極化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如權(quán)利要求1的前序部分所述的一種用于使壓電致動(dòng)器產(chǎn)生電接通的方法以及一種用于使該壓電致動(dòng)器極化的方法。
壓電性致動(dòng)器通常由共同燒結(jié)的壓電陶瓷疊層構(gòu)成，在該疊層之間配有金屬電極。在一個(gè)第一側(cè)面上，每隔一個(gè)金屬電極被引出，并與一個(gè)第一金屬化帶相連。在對(duì)置的側(cè)面上配置一個(gè)第二金屬化帶，該金屬化帶與其它金屬電極導(dǎo)電地相連接。于是，設(shè)置了兩個(gè)金屬電極系統(tǒng)，它們彼此是電絕緣的。
在壓電致動(dòng)器工作時(shí)，會(huì)平行于壓電陶瓷層的一個(gè)極化方向達(dá)到大的力，但只能達(dá)到小的相對(duì)偏移。為了獲得小的工作電壓，壓電致動(dòng)器由若干個(gè)壓電陶瓷層組成。為了使壓電致動(dòng)器極化，在兩個(gè)電極結(jié)構(gòu)上施加一個(gè)電極化場(chǎng)，從而產(chǎn)生一種最大剩余極化，和依場(chǎng)方向在陶瓷層的晶體中定向的、相對(duì)于未極化的初始狀態(tài)的域的有序分布。所述極化是在壓電陶瓷層的一個(gè)溫度條件下進(jìn)行的，該溫度高于壓電陶瓷層的居里溫度。
此外，為了壓電致動(dòng)器的電接通，需要使金屬化帶同電導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)接通。為此，將電導(dǎo)線在一種焊接過(guò)程中焊牢在金屬化帶上。
在歐洲專利申請(qǐng)書(shū)EP 0 350 941 A2中公開(kāi)了一種壓電致動(dòng)器和一種用于制造該壓電致動(dòng)器的方法，該壓電致動(dòng)器由多個(gè)壓電層構(gòu)成，其中在壓電層之間分別布置于一個(gè)電極。每隔一個(gè)電極與一個(gè)金屬化帶可導(dǎo)電性地相連，該金屬帶被安置在壓電致動(dòng)器的外側(cè)面上。其它的電極與一個(gè)第二金屬化帶可導(dǎo)電地相連，該金屬化帶與所述第一金屬化帶對(duì)置地布置在壓電致動(dòng)器的外側(cè)面上。壓電致動(dòng)器為了連接過(guò)程而被加熱到居里溫度以上，從而在電極和壓電陶瓷層之間形成一種化合。在一個(gè)下面的冷卻過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷層的極化，其中壓電陶瓷層的溫度仍然高于居里溫度。在較晚些時(shí)候的焊接過(guò)程中將電導(dǎo)線焊接在金屬化帶上。
在德國(guó)專利申請(qǐng)DE 100 26 635 A1中介紹了一種方法，用于在壓電致動(dòng)器的一個(gè)電接觸面和一個(gè)金屬線表面之間實(shí)現(xiàn)焊接。在這種情況下，壓電致動(dòng)器的金屬化帶與平行地布置的金屬線相焊接。所述焊接是在壓電陶瓷致動(dòng)器極化之后實(shí)現(xiàn)的。在焊接過(guò)程中，壓電陶瓷致動(dòng)器所具有的溫度低于居里溫度。
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種用于使壓電致動(dòng)器電接通的方法以及用于使壓電致動(dòng)器較快速地極化的方法。
本發(fā)明的任務(wù)是通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的方法加以解決的。根據(jù)權(quán)利要求1的方法的優(yōu)點(diǎn)在于壓電致動(dòng)器的電接通和該壓電致動(dòng)器的極化都可以在較短時(shí)間內(nèi)予以實(shí)現(xiàn)。這一優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)以下措施獲得的所述電接通以及極化至少部分地是同時(shí)進(jìn)行的。焊接過(guò)程最好在居里溫度以上進(jìn)行，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器的壓電陶瓷層的極化。
本發(fā)明的其它有利的實(shí)施方式見(jiàn)各項(xiàng)從屬權(quán)利要求中所述。
根據(jù)本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選的改進(jìn)方案，即使在冷卻到居里溫度之下的階段中，極化電壓也能施加，并被限制在一個(gè)最大值內(nèi)。這樣，一方面可以達(dá)到可靠地維持極化的目的，另一方面又可避免壓電陶瓷層受損害。
根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施方式，極化電壓在達(dá)到最大溫度之前就施加了，而流經(jīng)的電流則在致動(dòng)器的加熱過(guò)程中被限制在一個(gè)最大值內(nèi)。這樣，在達(dá)到壓電致動(dòng)器的最大溫度之前就已實(shí)現(xiàn)了一種極化，與此同時(shí)由于限制在一個(gè)最大電流值內(nèi)從而可靠地避免了壓電陶瓷層受到損害。根據(jù)另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在極化過(guò)程中檢測(cè)所施加的電壓并進(jìn)行分析，借以得出關(guān)于極化質(zhì)量的結(jié)論或者得出關(guān)于壓電致動(dòng)器質(zhì)量的結(jié)論。
根據(jù)另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在極化過(guò)程中就檢測(cè)流過(guò)的電流并進(jìn)行分析，借以評(píng)價(jià)極化和/或壓電致動(dòng)器。
在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，導(dǎo)線是經(jīng)過(guò)加熱塊而被壓緊在觸點(diǎn)的焊接面上的，其中所述加熱塊至少部分地加熱致動(dòng)器。這樣，焊接過(guò)程通過(guò)導(dǎo)線的機(jī)械性的壓合而變得容易了，此外還可在焊接的區(qū)域內(nèi)導(dǎo)入所述溫度。從而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的改善。
在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，多個(gè)致動(dòng)器同時(shí)與導(dǎo)線進(jìn)行焊接，并加以極化。這樣就能有效地實(shí)現(xiàn)本方法，從而使大批量生產(chǎn)成為可能。
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。附圖表示


圖1一個(gè)壓電致動(dòng)器；圖2焊接過(guò)程之后的壓電致動(dòng)器邊緣區(qū)的橫截面；圖3為執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置的示意圖；圖4在執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法時(shí)，不同參數(shù)的時(shí)間曲線圖。
圖1以一個(gè)示意圖表示一個(gè)壓電陶瓷致動(dòng)器1，該致動(dòng)器具有一個(gè)包含多個(gè)壓電陶瓷層3(圖2)的壓電陶瓷構(gòu)件2。在兩個(gè)層3之間分別形成一個(gè)平面的電極4(圖2)。電極4都經(jīng)過(guò)金屬線5而與一個(gè)第一或一個(gè)第二觸針6、7可導(dǎo)電地相連。每隔一個(gè)電極4經(jīng)過(guò)一條金屬線5而與第一觸針6可導(dǎo)電地相連。其它的電極4都經(jīng)過(guò)金屬線5而與第二觸針7可導(dǎo)電地相連。這樣便形成一個(gè)層結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)壓電陶瓷層3都由兩個(gè)電極4加以限制，這些電極可導(dǎo)電地與不同的觸針6、7相連接。通過(guò)在第一和第二觸針6、7上施加不同的電勢(shì)，所有的壓電陶瓷層3都以相等的電壓加載，從而使壓電陶瓷層3相應(yīng)于所施加的電壓擴(kuò)展。
圖2表示壓電陶瓷構(gòu)件2邊緣區(qū)的一個(gè)局部橫截面。在該壓電陶瓷構(gòu)件2上安裝上了一個(gè)第一金屬化帶8。該第一金屬化帶8可導(dǎo)電地與每隔一個(gè)電極4相連。與第一金屬化帶8相對(duì)置，在構(gòu)件2的另一個(gè)面上布置了一個(gè)第二金屬化帶9，該金屬化帶與其它電極4可導(dǎo)電地相連。金屬化帶8經(jīng)過(guò)一個(gè)焊劑層13而與金屬線5可導(dǎo)電地相連。第一金屬化帶8的金屬線5被引到第一觸針6上。
按相應(yīng)的方式，第二金屬化帶9經(jīng)過(guò)金屬線5可導(dǎo)電地與第二觸針7相連。
圖3表示為用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置示意圖。
在制造壓電致動(dòng)器1時(shí)，首先用燒結(jié)法制造出壓電陶瓷層3和電極4。此外還需要進(jìn)行壓電陶瓷層3的極化處理。為此，經(jīng)過(guò)電極4在陶瓷層3上施加一個(gè)極化電壓，其中壓電陶瓷層3具有一個(gè)溫度，該溫度高于壓電陶瓷層3的居里溫度。此外，須將電導(dǎo)線10、11連接到金屬化帶8、9上。
按根據(jù)本發(fā)明的方法，在所示的實(shí)施方式中，設(shè)置了三個(gè)壓電構(gòu)件2。這些構(gòu)件2都具有壓電陶瓷層3、電極4和金屬化帶8、9。金屬化帶8、9被布置在橫截面圖中呈正方形設(shè)計(jì)的構(gòu)件2的對(duì)置的側(cè)面上和正相反布置的角區(qū)中。將所述第一和第二導(dǎo)線10、11貼靠在第一和第二金屬化帶8、9上。第一和第二導(dǎo)線10、11都是金屬線形式的，并與一個(gè)電源12可導(dǎo)電地相連。導(dǎo)線10、11的端頭連接在間隔塊14上。
構(gòu)件2被加熱到一個(gè)溫度，該溫度高于壓電層3的居里溫度。然后將導(dǎo)線10、11壓緊到第一和第二金屬化帶8、9上。此外，在第一和第二金屬化帶與第一和第二導(dǎo)線10、11之間加入焊劑13。將焊劑13作為焊料使用，這種焊劑所具有的焊接溫度高于所述居里溫度。最好使用加熱元件15來(lái)壓緊第一和第二導(dǎo)線10、11，該加熱元件除了用于壓緊第一和第二導(dǎo)線10、11之外，同時(shí)還能至少部分地加熱所述構(gòu)件2。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，焊劑13以焊劑膜16的形式放入到金屬化帶8、9與第一和第二導(dǎo)線10、11之間。
與此同時(shí)為了進(jìn)行焊接，經(jīng)過(guò)電源12在導(dǎo)線10、11上施加極化電壓，從而實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷層3的極化。在進(jìn)行極化時(shí)，使用1至2kV/mm的場(chǎng)強(qiáng)度。所用的電流值在幾個(gè)A/cm2。最好在達(dá)到構(gòu)件2的一個(gè)最大溫度之前便實(shí)施極化。當(dāng)構(gòu)件2從最大溫度冷卻到居里溫度以下時(shí)，最好仍保持極化電壓。為了在加熱構(gòu)件2時(shí)使電流強(qiáng)度不致超過(guò)一個(gè)最大電流，電流強(qiáng)度由電源12限制在一個(gè)最大值內(nèi)。與此同時(shí)，在構(gòu)件2冷卻時(shí)所施加的電壓由電源12限制到一個(gè)最大值內(nèi)，借以避免損害壓電陶瓷層3。
導(dǎo)線10、11被焊到所述第一及第二觸針6、7上。在焊接過(guò)程和極化過(guò)程完成之后，將導(dǎo)線10、11加以拆開(kāi)，從而獲得如圖1所示的單個(gè)致動(dòng)器1。
圖4以一個(gè)簡(jiǎn)圖表示出極化電壓U和極化電流I的時(shí)間曲線圖。為此，在圖中示出金屬化帶8、9表面上的溫度TO和壓電陶瓷層3的溫度TK。圖中還加入了對(duì)于壓電陶瓷層3的居里溫度和用于所用焊料的焊接溫度。圖中還繪出在時(shí)間t上的特征曲線。
在極化過(guò)程和焊接過(guò)程開(kāi)始時(shí)，將導(dǎo)線10、11壓緊在金屬化帶8、9上，構(gòu)件2尚未被加熱，電源12亦尚未施加極化電壓。
到達(dá)一個(gè)第一時(shí)間點(diǎn)t1時(shí)，施加極化電壓U。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)加熱塊15對(duì)構(gòu)件2進(jìn)行加熱。到一個(gè)第二時(shí)間點(diǎn)t2，壓電陶瓷層3的溫度TK達(dá)到居里溫度。壓電陶瓷層3的導(dǎo)電性隨著溫度升高而增大，從而電流I升高，電壓U下降。到一個(gè)第三時(shí)間點(diǎn)t3，構(gòu)件2的表面溫度TO達(dá)到焊接溫度，從而開(kāi)始焊接過(guò)程。焊接溫度高于居里溫度。到一個(gè)第四時(shí)間點(diǎn)t4，焊接過(guò)程結(jié)束，加熱塊15被斷開(kāi)，從而使構(gòu)件2冷卻。在第三時(shí)間點(diǎn)t3和第四時(shí)間點(diǎn)t4之間的時(shí)間間隔中，限定最大流經(jīng)電流。在第四時(shí)間點(diǎn)t4之后，表面溫度TO和壓電陶瓷層3的溫度TK都下降。壓電陶瓷層3的電阻隨溫度的下降而升高，從而使電壓U再次升高。電源12的作用在于使極化電壓U不超過(guò)一個(gè)最大值。為此，在電源12上設(shè)置了一個(gè)相應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)裝置。
在居里溫度以下，在一個(gè)第五時(shí)間點(diǎn)t5出現(xiàn)一個(gè)電荷沖量，它反映出電流強(qiáng)度I的瞬間升高。該電荷沖量可以用來(lái)進(jìn)行壓電致動(dòng)器1的計(jì)值。該電荷沖量最好與一個(gè)比較電荷沖量進(jìn)行比較。如果被測(cè)量的電荷沖量高出或低于該比較電荷沖量一個(gè)確定的值，即可識(shí)別出壓電致動(dòng)器有缺陷。根據(jù)另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在一個(gè)控制裝置17中為極化過(guò)程和焊接過(guò)程中的極化電壓設(shè)定一些比較曲線?？刂蒲b置17將在焊接過(guò)程和極化過(guò)程中所存在的電壓曲線和/或所存在的電流曲線與所設(shè)定的電壓曲線或所設(shè)定的電流曲線進(jìn)行比較。從這一比較中便可得出關(guān)于極化質(zhì)量和/或關(guān)于壓電致動(dòng)器1的質(zhì)量的結(jié)論。如果所測(cè)定的電壓曲線或者所測(cè)定的電流曲線比原設(shè)定的電壓曲線或電流曲線相差大于一個(gè)確定值時(shí)，則識(shí)別出一個(gè)有缺陷的致動(dòng)器1。若致動(dòng)器1被認(rèn)為有缺陷，則將該致動(dòng)器1排除，不將之再進(jìn)行處理。
權(quán)利要求
1.用于使一種壓電致動(dòng)器(1)產(chǎn)生電接通并使該壓電致動(dòng)器(1)極化的方法，其中致動(dòng)器(1)具有至少一個(gè)壓電陶瓷層(3)，該壓電陶瓷層具有兩個(gè)間隔距離的電觸點(diǎn)(4，8，9)，其中在該電觸點(diǎn)(4，8，9)上焊接了電導(dǎo)線(5，10，11)，其中在焊接過(guò)程中，壓電致動(dòng)器(1)被加熱到一個(gè)焊接溫度，其特征在于，在所述焊接過(guò)程中，對(duì)導(dǎo)線(5，10，11)施加一個(gè)極化電壓，使壓電陶瓷層(3)實(shí)現(xiàn)極化。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用一種焊料(13)，其焊接溫度高于壓電陶瓷層(3)的居里溫度。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，即使在冷卻過(guò)程中也能施加極化電壓；在致動(dòng)器冷卻過(guò)程中該電壓被限制在一個(gè)最大值內(nèi)。
4.按權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在加熱過(guò)程中在達(dá)到一個(gè)最大溫度之前施加所述極化電壓；在致動(dòng)器(1)的加熱過(guò)程中，電流被限制在一個(gè)最大值內(nèi)。
5.按權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，檢測(cè)在極化過(guò)程中的極化電壓并加以分析，借以評(píng)價(jià)所述極化和/或致動(dòng)器(1)。
6.按權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，檢測(cè)在極化過(guò)程中流過(guò)的電流并進(jìn)行分析，借以評(píng)價(jià)所述極化和/或致動(dòng)器。
7.按權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，導(dǎo)線(10、11)經(jīng)過(guò)加熱塊(15)被壓緊在觸點(diǎn)(8，9)的焊接面上；加熱塊(15)至少部分地加熱所述致動(dòng)器(1)。
8.按權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，多個(gè)致動(dòng)器(1)同時(shí)地與導(dǎo)線(10、11)相焊接、并加以極化。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，一個(gè)觸點(diǎn)(8、9)的導(dǎo)線(10、11)在焊接和極化時(shí)整體地用于多個(gè)致動(dòng)器(1)；在焊接和極化之后該導(dǎo)線(10、11)分開(kāi)成單導(dǎo)線而用于每個(gè)致動(dòng)器(1)。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在焊接和極化之前將所述導(dǎo)線(10、11)連接到觸針(6、7)上。
11.按權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，致動(dòng)器(1)在焊接過(guò)程中加熱到壓電陶瓷層(3)的居里溫度以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)一個(gè)壓電致動(dòng)器的觸點(diǎn)進(jìn)行焊接以及使該壓電致動(dòng)器的壓電陶瓷層極化的方法。所述極化和焊接可同時(shí)進(jìn)行。從而縮短了該方法的持續(xù)時(shí)間。
文檔編號(hào)H01L41/29GK1839489SQ200480023979
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月21日
發(fā)明者M·登茨勒爾, B·德?tīng)柤铀固?申請(qǐng)人:西門子公司