專利名稱：壓電陶瓷彎曲變換器及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷彎曲變換器，它具有一個支承體和一個安設在其上面的由壓電陶瓷層以及在壓電陶瓷層之間的平面電極組成的堆疊。本發(fā)明另外還涉及這種彎曲變換器的應用。
這種壓電陶瓷彎曲變換器已由前東德專利文獻DD 293 918 A5和國際專利申請WO 99/17383公開。按照國際專利申請WO 99/17383所述，為控制壓電陶瓷彎曲變換器，設置在壓電陶瓷層之間的各電極沿堆疊方向看過去交替地位于正電位和負電位上。其中，各相鄰的壓電陶瓷層則沿相反的方向被極化，使得整個堆疊在被加載工作電壓時基于壓電陶瓷的壓電效應要么收縮要么膨脹。
從德國專利文獻DE 34 34 726 C2中可了解到用于控制這種由壓電陶瓷層堆疊而成的變換器的其它可能性。
從德國專利文獻DE 34 34 726已知可將鉛鈦酸鹽，鋇鈦酸鹽，鉛鋯鈦酸鹽或這些陶瓷材料的變種作為壓電陶瓷層材料。從前東德專利文獻DD 293918 A5中則已知可將彈簧鋼以及從國際專利申請WO 99/17383中已知可將纖維復合材料或玻璃作為支承體材料。由這種纖維復合材料或玻璃制成的支承體在將電能轉換成機械能時會導致很高的效率。
帶有支承體的壓電陶瓷彎曲變換器通常被構造成具有所謂的三晶(Trimorph)結構。這意味著，在支承體的兩側分別涂覆上至少一層由壓電陶瓷層構成的壓電活性層?；谠搶ΨQ結構，這樣一種壓電陶瓷彎曲變換器由溫度決定的固有彎曲度比支承體僅僅在一層覆有壓電陶瓷層時更低。
若采用一個由許多壓電陶瓷層形成的堆疊來取代一個唯一的壓電陶瓷層，那么在更低的工作電壓下就能提供相同的機械能。其緣由在于基于在堆疊中很薄的各壓電陶瓷層，在相同的工作電壓情況下，按照公式E＝U/d(其中，E為電場強度，U為加載電壓，d為壓電陶瓷層厚度)，有比只有一具有堆疊厚度的壓電陶瓷層更大的電場強度。當對于壓電陶瓷彎曲變換器要求有小的調節(jié)行程同時又要有大的調節(jié)力時，壓電活性物質由許多單獨的壓電陶瓷層按照堆疊方式，亦即多層技術來構成是比較有利的。
基于前述原因，在將壓電陶瓷彎曲變換器應用在一個閥中時優(yōu)選按照堆疊或者多層構造方式來構造該變換器。但缺點是用于構造一個多層結構式壓電陶瓷彎曲變換器的制造成本和材料成本相對較高。壓電陶瓷層必須努力地拉制成薄膜；需采用許多單個電極層，這會抬高材料成本。因此，當一個閥采用一個多層結構的壓電陶瓷彎曲變換器時，盡管它有更好的調節(jié)性能但基于其很高的部件價格相對于一個傳統(tǒng)結構的類似閥門來說還是沒有競爭力。
因此，本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種多層結構的壓電陶瓷彎曲變換器，它便于制造。此外，本發(fā)明所要解決的另一技術問題在于，提供這種壓電陶瓷彎曲變換器的應用。
上述第一個技術問題按照本發(fā)明是這樣來解決的，即，在支承體背向堆疊的側面上敷設一適配層，它由基本上具有和壓電陶瓷相同熱膨脹系數(shù)的材料制成。
本發(fā)明出于如下考慮在壓電陶瓷彎曲變換器應用于一個閥中時，彎曲變換器只需要有兩個定義位置。在彎曲變換器的其中一個定義位置上，閥關閉；而在彎曲變換器的另一個定義位置上，閥打開。彎曲變換器沒有必要有第三個定義位置。視對于彎曲變換器的不同控制人們對閥有不同的稱呼，當閥在彎曲變換器不受控制時為打開狀態(tài)時，稱這種閥為常開閥；當閥在彎曲變換器不受控制時為關閉狀態(tài)時，稱這種閥為常閉閥。
本發(fā)明另外還出于如下考慮壓電陶瓷彎曲變換器為控制一個閥所需的所述兩個位置是指在沒有施加電壓時的靜止位置和在施加電壓時的偏轉位置。因此，彎曲變換器僅僅只需沿一個方向偏轉。所以對于一個應用在一個閥中的彎曲變換器來說，在支承體上一側敷設壓電陶瓷層堆疊(以下稱為壓電堆)就足夠了。逆極化方向被控制的第二個壓電堆只能為偏轉提供很小的支持，因為電場強度由于兩極效應必然受到限制。因此，為了不降低彎曲變換器在閥中的應用效率，可放棄一個壓電堆。這是一種可節(jié)約成本的措施，因為用許多單個壓電陶瓷層以及設置在它們之間的電極來制成一個壓電堆非常昂貴。
此外，本發(fā)明還出于以下的考慮，即，相對于一個帶有支承體以及在支承體兩側都敷設有壓電堆的彎曲變換器來說，一個帶有支承體以及在該支承體的一側敷設壓電堆的壓電陶瓷彎曲變換器基于其不對稱結構有更高的熱固有彎曲度，并因此不太適合應用在一個閥中。這個問題這樣來解決，即，在支承體背向堆疊的側面上敷設一適配層，它由基本上具有和壓電陶瓷相同熱膨脹系數(shù)的材料制成。
比較有利的是，該適配層由玻璃或氧化鋁制成。這兩種材料和通常作為壓電陶瓷來用的鉛-鋯-鈦氧化物陶瓷有近似的熱膨脹系數(shù)。
一種壓電陶瓷通常通過在一個均勻的電場中極化來獲得其壓電特性。通過極化，壓電陶瓷的熱膨脹系數(shù)相應變化。因此，按照本發(fā)明另一種有利的設計，用于補償彎曲變換器的熱固有彎曲度的適配層由一種極化的壓電陶瓷制成。在這種情況下，適配層的熱膨脹系數(shù)與支承體另一側上所敷設的堆疊中各個壓電陶瓷層的熱膨脹系數(shù)相同。在這種情況下，適配層由一整體的極化壓電陶瓷組成，亦即由一個唯一的壓電陶瓷層形成。
作為支承體材料例如可采用玻璃、金屬或纖維復合材料。為便于加工以及在壓電陶和支承體之間建立持久的連接，業(yè)已證明比較有利的是，用一種纖維復合材料來制成支承體。
在壓電陶瓷和支承體之間持久牢固的連接，尤其可通過采用一種用碳纖維或玻璃纖維來強化的環(huán)氧樹脂作為纖維復合材料來實現(xiàn)。這樣，對于制造支承體的原材料就可采用一種預浸環(huán)氧樹脂的帶料(一種尚未完全硬化的毛坯)，它通過熱處理與壓電陶瓷熱粘合在一起。
按照本發(fā)明另一個有利的改進設計，支承體的一個自由部段在固定側從堆疊和適配層中伸出。該支承體的自由部段可以按照簡單的方式方法用于固定彎曲變換器。這一改進設計也可使壓電堆中各電極實現(xiàn)方便的接觸。例如在支承體的自由部段上可粘接上一銅片，使其一部分在壓電堆下延伸并與各電極電接觸?？梢院唵蔚姆绞椒椒ㄔ谶@種銅片上釬焊上一連接導線。
壓電堆中的電極為了實現(xiàn)電接觸可比較有利地在固定側從壓電陶瓷中引出，并相對于壓電陶瓷在其它側邊上有回縮。通過平面金屬化制成的電極可以這種方式方法僅僅在固定側從壓電堆或從適配層中伸出。在壓電陶瓷堆一同被燒結時，通過電極在外側位置上的回縮形成一燒結殼膜，它在燒結過程結束之后使電極相對于外面封閉起來。電極在壓電堆中的這樣一種設計因此使得壓電陶瓷彎曲變換器即便在高的空氣濕度或者在水中時也能正常工作。各電極通過該燒結殼膜能很好地相互電絕緣，從而提高壓電堆的抗短路能力。
考慮到壓電陶瓷彎曲變換器的抗短路能力，更加有利地是使電極從壓電堆或澆注材料中伸出的部段用澆注材料來密封。為此可將彎曲變換器裝入一個鑄模中，然后將澆注材料澆注到該鑄模中。
考慮到易操作性，比較有利地是采用一種環(huán)氧樹脂作為澆注材料。也可采用尤其借助激光可硬化的膠粘劑作為澆注材料。通過將澆注材料注入鑄模中，整個壓電彎曲變換器可防濕，且因此可應用到通斷液體的閥中。
本發(fā)明所要解決的第二個技術問題這樣來解決，即，將權利要求1至9中所述的壓電陶瓷彎曲變換器作為一個調節(jié)元件用在一個閥中，尤其是一個氣動閥中。這種閥基于其良好的性能價格比和一個傳統(tǒng)的閥相比有更強的競爭力。
下面借助附圖所示實施方式對本發(fā)明予以詳細說明，附圖中

圖1為一個帶有支承體的壓電陶瓷彎曲變換器的縱向斷面圖，其中，支承體在其一側敷設有一個由壓電陶瓷層組成的堆疊，在其另一側上則敷設有一個整體壓電陶瓷結構形式的適配層；圖2為圖1所示壓電陶瓷彎曲變換器的橫向斷面圖；圖3為圖1所示壓電陶瓷彎曲變換器在其固定側的立體示圖。
在圖1的縱向斷面示圖中，示出一個壓電陶瓷彎曲變換器1具有一個用玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂制成的支承體3。在支承體3的一側上設有一個由一些壓電陶瓷層6和設置在它們之間的銀/鈀金屬化層形式的各電極7、8組成的堆疊4。在支承體3背對堆疊4的一側設有一個由整塊壓電陶瓷制成的適配層10。
在壓電陶瓷彎曲變換器1的固定側12，支承體3的一自由部段向外伸出。在該縱向斷面圖中可看到電極8的部段13在固定側12從堆疊4中向外伸出，并在那兒相互電接觸。電極7也在另一位置按照相同的方式向外伸出并同樣相互電接觸，這在圖1中看不到，但在圖2中可看出。電極7、8向外伸出的部段13在固定側12用一種環(huán)氧樹脂制澆注材料14來密封。
所述堆疊4還具有一個外部電極18和一個朝向支承體3的內部電極16，它們同樣為銀/鈀金屬化形式的電極。該內、外電極16、18也可省去。這一點在彎曲變換器應用在例如潮濕環(huán)境中時比較有利。適配層10也可帶有一內部電極15和一個外部電極17。由壓電陶瓷層6形成的堆疊4和由整塊壓電陶瓷構成的適配層10通過電極7、8和電極16、18以及15、17在被施加一預定電壓時被極化。適配層10因此具有和壓電陶瓷層6一樣的熱膨脹系數(shù)。作為壓電陶瓷采用一種鉛-鋯-鈦氧化物陶瓷。
在壓電陶瓷彎曲變換器1的固定側12，在支承體3上粘接一銅片19。它的一部分在堆疊4下延伸。從圖1中可看到，該銅片19與電極8電接觸。為了給電極8饋電，在銅片19上釬焊有一連接電線。
在圖2中示出圖1所示壓電陶瓷彎曲變換器的橫斷面。選擇該橫斷面是為了看到圖1中的電極7。從該橫斷面圖中可清楚地看到，為接觸電極7采用一銅片19a，為接觸電極8采用一銅片19b。為此，一個電極段20從堆疊中被引出并在外面與銅片19a接觸。銅片19a和19b粘接在支承體3的自由部段21上。
此外從圖2中可清楚地看到，電極(在此是電極7)相對于壓電陶瓷層6在邊側22、24和26有回縮。通過該回縮，壓電陶瓷彎曲變換器在潮濕環(huán)境下的抗短路能力被改善。
圖3為支承體3自由部段21的立體示圖。從該圖中可清楚地看到，銅片19a與所有的電極8電接觸，銅片19b與所有的電極7電接觸。若在銅片19a和19b之間施加一個電壓，那么在相鄰的壓電陶瓷層6中的電場就相互反向。由于相鄰壓電陶瓷層6的極化方向同樣相互反向，施加一個電壓因而導致堆疊4中的所有壓電陶瓷層6或者收縮或者膨脹，并由此導致堆疊4整體收縮或膨脹。若支承體3的自由段21被固定，那么在銅片19a和19b上施加一個電壓就會因此導致彎曲變換器1的另一端偏轉。
從圖3中還可看到，適配層10的壓電陶瓷借助銅片19c和19d被施加一個電壓同樣可被極化。
權利要求
1.一種壓電陶瓷彎曲變換器(1)，它具有一個支承體(3)和一個安設在其上面的由壓電陶瓷層(6)以及在壓電陶瓷層(6)之間的平面電極(7、8)組成的堆疊，其特征在于，在支承體(3)背向堆疊的側面上敷設一適配層(10)，它由基本上具有和壓電陶瓷相同熱膨脹系數(shù)的材料制成。
2.如權利要求1所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)，其特征在于，所述適配層(10)由玻璃或氧化鋁制成。
3.如權利要求1所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)，其特征在于，所述適配層(10)由一種極化的壓電陶瓷制成。
4.如權利要求1至3中任一項所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)，其特征在于，所述支承體(3)由一種纖維復合材料制成。
5.如權利要求4所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)，其特征在于，所述纖維復合材料是一種用碳纖維或玻璃纖維強化的環(huán)氧樹脂。
6.如上述任一項權利要求所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)，其特征在于，所述支承體(3)的一個自由部段(21)在固定側(12)從堆疊和適配層(10)中伸出。
7.如權利要求6所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)，其特征在于，所述電極(7，8)為了實現(xiàn)電接觸在固定側(12)從壓電陶瓷中引出，并在其它側(22，24，26)相對于壓電陶瓷有回縮。
8.如權利要求7所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)，其特征在于，所述電極(7，8)在固定側(12)伸出的部段(20)用一種澆注材料(14)來密封。
9.如權利要求8所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)，其特征在于，所述澆注材料(14)為環(huán)氧樹脂。
10.將上述任一項權利要求所述的壓電陶瓷彎曲變換器(1)作為一個調節(jié)元件用在一個閥中，尤其是一個氣動閥中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷彎曲變換器(1)，它具有一個支承體(3)和一個安設在其上面的由壓電陶瓷層(6)以及在壓電陶瓷層(6)之間的平面電極(7、8)組成的堆疊。在支承體(3)背向堆疊的側面上敷設一適配層(10)，它由基本上具有和壓電陶瓷相同熱膨脹系數(shù)的材料制成。該彎曲變換器(1)具有良好的調節(jié)力和低的熱固有彎曲度且制造成本低。它尤其適合應用在一個閥中。
文檔編號B06B1/06GK1422445SQ01807642
公開日2003年6月4日 申請日期2001年4月6日 優(yōu)先權日2000年4月10日
發(fā)明者卡爾·盧比茨, 邁克爾·里德爾, 邁克爾·溫曼, 馬庫斯·霍夫曼 申請人:西門子公司, 費斯托兩合公司