專利名稱：：壓電換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種多層型壓電換能器，更具體地說，涉及對位于由多層壓電陶瓷材料層組成的疊片元件中驅(qū)動電極的圖形所作的改進。壓電換能器的壓電元件呈細(xì)長板的形式，其上形成有多個電極。第一電極和第二電極在壓電元件的縱向邊形成，在壓電元件的厚度方向上彼此面對。第三電極在壓電元件的另一縱向邊的端面上形成。壓電元件的一面沿其厚度方向極化，另一面沿其縱向極化。第一和第二電極用作驅(qū)動部分或輸入端，第三電極用作發(fā)電部分或輸出端。上述第一和第二電極之間加上其自然振蕩頻率取決于壓電元件縱向尺寸的輸入電壓時，壓電元件因受電致伸縮作用而在縱向上產(chǎn)生強烈的機械振蕩，從而在壓電元件的另一面產(chǎn)生作為交流高壓在第三電極與第一或第二電極之間輸出的電荷。綜上所述，壓電換能器是通過將電能變換成機械能再將機械能變換成電能進行升壓的。這種壓電換能器通常采用象鋯鈦酸鉛之類材料的壓電陶瓷材料作為壓電元件。然而，許多壓電換能器有這樣的問題由于其升壓比通常很小，因而難以實用。確定升壓比的因素包括壓電元件的縱向尺寸和厚度方向的尺寸，即第一與第二電極之間的間距?？v向尺寸越大，或厚度方向的尺寸(即第一與第二電極之間的間距)越小，則能得到的升壓比越大。然而，增大縱向尺寸會引起壓電換能器體積增大和難以極化等問題。減小厚度方向的尺寸會產(chǎn)生壓電元件機械強度下降的問題。上述兩種措施通常都不能作為提高升壓比的方法。多層型壓電換能器已作為能解決上述問題而具有較大升壓比的壓電換能器提出來。多層壓電換能器的壓電元件呈疊片元件的形式，由多層壓電陶瓷材料層組成，驅(qū)動端或輸入端的電極是多個驅(qū)動電極，各形成為面對毗鄰的驅(qū)動電極，各電極之間夾有壓電陶瓷材料層。第一、第二和第三端電極在疊片元件的外表面上形成，多個驅(qū)動電極交替地與第一或第二端電極電連接。第三端電極用作發(fā)電端或輸出端的電極。綜上所述，采用多層型壓電換能器可以縮短各電極之間的間距而不致削弱壓電元件的機械強度，同時可以增加電致伸縮產(chǎn)生的機械能，因而不難獲取實用的升壓比。然而，在這種多層型壓電換能器中，由于疊片元件中有驅(qū)動電極，因而在驅(qū)動壓電換能器的過程中受到機械振動或外來的某種沖擊力時，壓電陶瓷材料層會分離開來?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這種分離能降低壓電換能器的性能，還會使驅(qū)動電極在溫度高、濕度大的情況下移位，從而即使分離面不大也會使水分進入。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種能最大限度地減少上述壓電陶瓷材料層分離問題的多層型壓電換能器。本發(fā)明涉及這樣一種多層型壓電換能器，其包括一個疊片元件，由多個壓電陶瓷材料層組成；第一、第二和第三端電極，各形成在疊片元件外表面的不同位置上；多個第一驅(qū)動電極，與第一端電極電連接；和至少一個第二驅(qū)動電極，與第二端電極電連接，且面對每一個第一驅(qū)動電極，第一與第二驅(qū)動電極之間夾有至少一層壓電陶瓷材料層。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明具有這樣的特征位于疊片元件內(nèi)側(cè)的第一和第二驅(qū)動電極至少有一個具有許多貫通的部分，從而使兩個位于驅(qū)動電極兩側(cè)的壓電陶瓷材料層在多個位置上彼此連接。上述具有貫通部分的驅(qū)動電極例如可以制成網(wǎng)狀或條狀的形式。如上所述，按照本發(fā)明，位于疊片元件內(nèi)的驅(qū)動電極具有多個貫通部分，驅(qū)動電極兩側(cè)的壓電陶瓷材料層通過這些貫通部分在多個位置上彼此連接，從而使壓電陶瓷材料層之間不致分開，這樣就可以提供一種耐潮、性能不致變壞、機械強度得以提高的多層型壓電換能器。為了說明本發(fā)明，給出幾個最佳實施例的附圖，然而應(yīng)了解，本發(fā)明并不局限于這些最佳實施例。圖1是本發(fā)明第一實施例的壓電換能器1的外觀示意透視圖。圖2是圖1所示壓電換能器1的平面圖，示出了壓電陶瓷材料層2a、…、2n的上表面和壓電陶瓷材料層2n的下表面。圖3是和圖2類似的視圖，示出了本發(fā)明的第二實施例。圖4的視圖與圖2類似，示出了本發(fā)明的第三實施例。圖5的視圖也與圖2類似，示出了本發(fā)明的第四實施例。圖6的曲線比較了本發(fā)明第一至第四實施例的各升壓比相對于輸入電壓的變化，并示出了按現(xiàn)有技術(shù)制造的對比制品的一個例子。參看各附圖，其中同樣的標(biāo)號表示類似的元件。圖1示出按本發(fā)明原理構(gòu)成的一個壓電換能器，其總體以標(biāo)號1表示。壓電換能器1的疊片元件3由多層壓電陶瓷材料層2a、2b、2c、…、2n組成。第一、第二和第三端電極4、5和6分別在疊片元件3外表面的不同位置上形成。在本實施例中，疊片元件3呈細(xì)長形。第一和第二端電極4和5最好安置在疊片元件3的一個縱向邊，第三端電極6安置在疊片元件3另一縱向邊的端面上。圖2是圖1所示的壓電換能器1的平面圖，示出了壓電陶瓷材料層2a、…、2n各上表面的情況，和壓電陶瓷材料層2n下表面的情況。驅(qū)動電極7a、…、7n分別在壓電陶瓷材料層2a、…、2n上表面的一個縱向邊上形成。此外，驅(qū)動電極8在最下面的壓電陶瓷材料層2n的一個縱向邊上形成，這可從圖2下部壓電陶瓷層2n的透視圖看出來。驅(qū)動電極7a、…、7n和8中奇數(shù)位置的驅(qū)動電極，即第一驅(qū)動電極7a、第三驅(qū)動電極7c、等，分別與第一端電極4電連接，以形成第一組驅(qū)動電極。另一方面，處在偶數(shù)位置的驅(qū)動電極，即第二驅(qū)動電極7b、第四驅(qū)動電極7d、等(包括電極8)，分別與第二端電極5電連接，以形成第二組驅(qū)動電極。此外，第一組驅(qū)動電極和第二組驅(qū)動電極的各相應(yīng)電極彼此相對配置，其間夾有相應(yīng)的壓電陶瓷材料層2a、…、2n。圖2沒有畫出可以層疊在各壓電陶瓷材料層7c和7n之間的適當(dāng)數(shù)目的壓電陶瓷材料層。為了通過增加形成疊片元件3的層疊壓電陶瓷材料層的層數(shù)來增加驅(qū)動電極的數(shù)目，在壓電陶瓷材料層7c和7n之間反復(fù)層疊壓電陶瓷材料層7b和7c。圖1中，極化方向用箭頭表示。在疊片元件3的各驅(qū)動電極7a、…8彼此面對的縱向邊，各相繼壓電陶瓷材料層2a、…、2n的極化在層的厚度方向延伸，但是處在交替的方向。在疊片元件3的另一縱向邊，極化最好只沿疊片3的一個縱方向形成。在這樣的壓電換能器1中，當(dāng)輸入電壓加到第一與第二端電極4和5之間時，電致伸縮作用在疊片元件3的縱向引起強烈的機械振動，從而由于壓電效應(yīng)而在疊片元件3的有第三端電極6的一側(cè)產(chǎn)生電荷。這種電荷可以在第三端電極6與第一端電極4或第二端電極5之間作為交流高電壓提取出來。上述結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)多層型壓電換能器相同?，F(xiàn)在說明本實施例的特征結(jié)構(gòu)。從圖2中可以清楚地看到，安置在疊片元件3內(nèi)側(cè)的端電極7b、7c、…、7n呈網(wǎng)狀，因而端電極7b、7c、…、7n中形成有許多貫通部分9。這些貫通部分9使位于各端電極7b、…、7n相對側(cè)的兩層壓電陶瓷材料層2a、…、2n可以在多個位置彼此連接起來。這樣，當(dāng)燒制各層疊壓電陶瓷材料層2a、…、2n以獲取疊片元件3時，各毗連的壓電陶瓷材料層都通過各貫通部分9彼此燒結(jié)在一起，形成牢固的粘結(jié)狀態(tài)。圖3、圖4和圖5示出了本發(fā)明的其它實施例。圖3、圖4和圖5與上述圖2類似，以同樣的方式畫出。圖3、圖4和圖5中與圖2相應(yīng)的元件都編以同樣的編號，這里不再說明，以免重復(fù)?，F(xiàn)在參看圖3、圖4和圖5說明這些實施例的結(jié)構(gòu)特征。參看圖3，位于疊片元件3內(nèi)側(cè)的驅(qū)動電極7b、7c、…、7n取條狀形式沿疊片元件3的寬度方向延伸，從而使各驅(qū)動電極7b、7c、…、7n在各條之間形成貫通部分9。參看圖4。位于疊片元件3內(nèi)側(cè)的驅(qū)動電極7b、7c、…、7n取條狀形式，沿疊片元件3的縱向延伸，從而使驅(qū)動電極7b、7c、…、7n在各條之間形成貫通部分9。當(dāng)驅(qū)動電極7b、7c、…、7n的各條形部分如圖3所示沿疊片元件3的寬度方向延伸時，端電極4或5就將各條形部分彼此連接起來，從而使所有的條形部分起了驅(qū)動電極7b、7c、…、7n的作用。然而，當(dāng)驅(qū)動電極7b、7c、…7n的各條形部分如圖4所示的那樣沿疊片元件3的縱向延伸時，端電極4或5沒有把條形部分彼此連接起來。因此，各驅(qū)動電極7b、7c、…、7n如圖4所示是用連接線10將各條形部分彼此連接起來的。參看圖5。位于疊片元件3內(nèi)側(cè)的驅(qū)動電極7b、7c、…、7n取條狀形式，配置得使各驅(qū)動電極7b、…取條狀的形式沿疊片元件3的寬度方向延伸，與取條狀形式沿疊片元件3的縱向延伸的驅(qū)動電極7c、…交替。條狀驅(qū)動電極7b、7c、…、7n如圖3至圖5那樣形成時，各條延伸的方向并不局限為疊片元件3的寬度方向，也不局限為疊片元件3的縱向。舉例說，可以沿對角線方向或傾斜方向延伸。此外，貫通部分9也可以不通過使各驅(qū)動電極7b、7c、…、7n取網(wǎng)狀或條狀的形式而通過將多個小圓孔分布到各驅(qū)動電極7b、7c、…7n的多個位置上形成。任何能使相鄰的陶瓷材料層達(dá)到牢固粘結(jié)狀態(tài)的所需效果的結(jié)構(gòu)都可以使用。雖然貫通部分9最好設(shè)在位于疊片元件3內(nèi)側(cè)的所有驅(qū)動電極7b、7c、…、7n上，但將貫通部分只設(shè)在一個驅(qū)動電極上同樣也可達(dá)到本發(fā)明的效果。此外，雖然與第一端電極4連接的第一組驅(qū)動電極7a、7c、…、7n與連接第二端電極5的第二組驅(qū)動電極7b、…、8一個接一個地彼此交替形成，但也可以用其他的配置方式，例如，可將某些對的相鄰驅(qū)動電極(如7a、7b)連到第一端電極4上，而將交替的一些對的驅(qū)動電極(如7c、7d)連到第二端電極5上。為證實本發(fā)明的效果，按圖2至圖5的實施例制備了下面即將說明的一些試樣。首先，制備Pb(Mn，Nb)O3型陶瓷的陶瓷漿液，然后用刮片法(doctorbladeprocess)處理，以形成陶瓷生坯片用作壓電陶瓷材料層2a、…、2n。將含有(重量比為7∶3的)Ag/Pd的糊劑印制在生坯片上，以形成糊劑膜，作為驅(qū)動電極7b、…、7n安置在疊片元件3內(nèi)側(cè)。然后，將這些生坯片層疊起來、壓實、燒結(jié)，得到由9層壓電陶瓷材料層2a、…、2n組成的疊片元件3。在疊片元件3內(nèi)側(cè)形成8個驅(qū)動電極7b、…、7n。這些驅(qū)動電極7b、…、7n在第一實施例中取網(wǎng)狀形式，如圖2所示；在第二實施例中取條狀形式沿寬度方向延伸，如圖3所示；在第三實施例中取條狀形式沿縱向延伸，如圖4所示；在第四實施例中取條狀形式沿寬度方向延伸，與那些取條狀形式沿縱向延伸的電極交替形成，如圖4所示。此外，還制取了一個位于疊片元件內(nèi)側(cè)的各驅(qū)動電極7b、…、7n沒有貫通部分的試樣，作為對比物用。其次，用Ag蒸汽淀積法在各疊片元件3的外表面上形成驅(qū)動電極7a和8以及第一、第二和第三端電極4、5、6。各實施例中得到的疊片元件3和作為比較例子的尺寸都是長×寬×厚為40毫米×10毫米×2毫米。此外，驅(qū)動電極7a、…7n和8的尺寸都是長×寬為20毫米×9毫米。圖6示出了本發(fā)明第一、第二、第三和第四實施例和按上述得出的對比物實例的各壓電換能器的升壓比。這些升壓比是在輸出端有1兆歐負(fù)載電阻時改變輸入電壓而測出的。如圖6中所示，第一、第二、第三和第四實施例的升壓比沒有明顯差別。同時可以看出，對比實例的升壓比在輸入電壓相當(dāng)?shù)蜁r與第一、第二、第三和第四實施例沒有明顯差別，但當(dāng)輸入電壓超過10伏時對比例中發(fā)生擊穿。此外，還測定了第一、第二、第三和第四實施例以及對比實例的形成有驅(qū)動電極7a、…、7n的壓電換能器各部分的機械強度。具體說，通過進行三點彎曲試驗，即通過從形成驅(qū)動電極的部分切取寬2毫米、長20毫米、厚2毫米的長方塊并向垂直于驅(qū)動電極表面的方向施力，來測定橫向斷裂強度。測定的結(jié)果如下面的表1所示。表1圓括號中的數(shù)值為維泊爾(Weibull)系數(shù)m。該數(shù)值越大，差異越小。表1</tables>從表1可以看出，顯然第一、第二、第三和第四實施例的機械強度比對比實例高，差異比對比實例的小?？梢钥闯觯谝?、第二、第三和第四實施例的機械強度逐漸上升，一個比一個大。此外還評估了第一、第二、第三和第四實施例以及對比實例的壓電換能器在溫度高濕度大情況下性能的下降情況。具體地說，在100℃和90％相對濕度情況下對每一樣品測定升壓比一段預(yù)定時間，結(jié)果如表2所示。表2</tables>從表2可以看到，第一、第二、第三和第四實施例的抗?jié)裥阅芏急葘Ρ葘嵗龔?。通過上述第一、第二、第三和第四實施與對比實例的比較，顯然可以看出，第一、第二、第三和第四實施例不僅提高了機械強度和抗?jié)裥阅?，而且提高了升壓性能而不是使升壓性能降到對比實例的水平以下。本發(fā)明可以其他特定形式實施而不脫離本發(fā)明的精神和特征。應(yīng)參照所附的權(quán)利要求書而不是上述說明書來確定本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求1.一種壓電換能器，包括一個疊片元件，由多個壓電陶瓷材料層組成；第一、第二和第三端電極，各形成在所述疊片元件外表面的不同位置上；多個第一驅(qū)動電極，與所述第一端電極電連接；至少一個第二驅(qū)動電極，與所述第二端電極電連接，每一個所述至少一個第二驅(qū)動電極通過夾在其與至少一個所述第一驅(qū)動電極之間的一層壓電陶瓷材料層而面對該第一驅(qū)動電極，其中所述第一和第二驅(qū)動電極中至少一個具有多個貫通部分，從而使位于所述驅(qū)動電極相對側(cè)的兩層壓電陶瓷層在多個位置上彼此連接。2.如權(quán)利要求1所述的壓電換能器，其特征在于，所述具有貫通部分的驅(qū)動電極呈網(wǎng)狀。3.如權(quán)利要求1所述的壓電換能器，其特征在于，所述具有貫通部分的驅(qū)動電極呈條狀。全文摘要一種多層型壓電換能器，可防止其性能和機械強度因壓電陶瓷材料層的重疊有多個驅(qū)動電極的部位中多層壓電陶瓷材料層分離引起的下降。設(shè)在由多層壓電陶瓷材料層2a、…、2n組成的疊片元件3內(nèi)側(cè)的驅(qū)動電極7b、…、7n取網(wǎng)狀或條狀形式，使驅(qū)動電極7b、…、7n具有多個貫通部分9，通過這些貫通部分可以將位于驅(qū)動電極7b、…、7n兩側(cè)的壓電陶瓷材料層2a、…、2n在多個位置上彼此連接起來。文檔編號H01L41/22GK1159659SQ9611143公開日1997年9月17日申請日期1996年8月31日優(yōu)先權(quán)日1995年8月31日發(fā)明者安藤陽申請人:株式會社村田制作所