專利名稱：壓電彎曲變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電彎曲變換器，它具有一至少一側(cè)敷設(shè)在一支座上的壓電陶瓷。
上述類型的壓電彎曲變換器主要用來充分利用間接的或可逆的壓電效應(yīng)，亦即用于將電能轉(zhuǎn)換成機械能。壓電變換器有多種多樣的技術(shù)應(yīng)用。這些應(yīng)用例如有噴墨打印機的壓電印刷頭、用于麥克風(fēng)或揚聲器的音頻接收器或音頻發(fā)生器、用于加速度測量或壓力測量的傳感器、用作盲文閱讀器的布萊葉盲文行中的定位元件，用作紡織機械、氣動閥、書寫測量儀器或無接觸式表面測量儀器的定位元件。
在歐洲專利文獻(xiàn)EP 0 455 342 B1和歐洲專利申請EP 0 468 796 A1秘書了按層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)造的彎曲變換器。為了改善機械穩(wěn)定性或為了更好地將電能轉(zhuǎn)化成機械能，將所述壓電陶瓷敷設(shè)在一個支座上。為了實現(xiàn)電接觸，可在該壓電陶瓷兩側(cè)設(shè)置由一種導(dǎo)電材料敷設(shè)成的平面電極。
根據(jù)應(yīng)用的不同，可在該支座的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置上述涂層。按照德國專利文獻(xiàn)DE 34 34 726 C2所述，還可將多層壓電陶瓷連同電極相互層疊在一起。根據(jù)壓電陶瓷不同的層數(shù)，分別將彎曲變換器稱為單形態(tài)、雙形態(tài)、三形態(tài)彎曲變換器，以此類推，或者將它們統(tǒng)稱為多形態(tài)壓電彎曲變換器。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種壓電彎曲變換器，它具有良好的機械偏轉(zhuǎn)性能，亦即在相對較低的工作電壓下能有很高的偏轉(zhuǎn)。
上述技術(shù)問題按照本發(fā)明是通過這樣一種壓電彎曲變換器來解決的，即，所述支座包括一其熱膨脹系數(shù)小于2×10-6/K的玻璃，且壓電陶瓷層熱粘接在支座上。
所述支座要么本身由玻璃制成，要么由一種用玻璃纖維強化的熱固性塑料制成。
廣泛的試驗研究表明，相對于熱膨脹系數(shù)大于5×10-6/K的普通玻璃而言，采用這樣一種玻璃可使彎曲變換器在相同工作電壓下有更高的偏轉(zhuǎn)。有理由相信更好的偏轉(zhuǎn)性能與更低的熱膨脹系數(shù)有關(guān)。
由于在采用纖維強化的熱固性塑料時，熱膨脹系數(shù)主要取決于所采用的纖維。因此，在采用上述玻璃時所述支座具有比壓電陶瓷更低的熱膨脹系數(shù)，在短路狀態(tài)下，該壓電陶瓷垂直于極化方向熱膨脹，且其熱膨脹系數(shù)在4×10-6/K和6×10-6/K之間。在將壓電陶瓷層熱粘接在支座上的熱處理中，該壓電陶瓷在冷卻后保持一定的預(yù)應(yīng)力。該預(yù)應(yīng)力引起壓電陶瓷的晶格結(jié)構(gòu)扭曲，從而起到支持極化的作用。與支座熱粘接在一起的壓電陶瓷(包括所述玻璃)表明，其在工作電壓相同的情況下比沒有與這種支座粘接在一起的壓電陶瓷具有更高的縱向膨脹或縱向收縮。
一種熱膨脹系數(shù)小于2×10-6/K的玻璃例如是Owens Corning AdvancedMaterials公司的、商品名稱為“S2-Glass”的玻璃。“S2-Glass”是OwensCorning公司的注冊商標(biāo)。這種S2玻璃的熱膨脹系數(shù)為1.6×10-6/K。當(dāng)然也可以采用其它類型的玻璃，例如石英玻璃，只要它們的熱膨脹系數(shù)處于應(yīng)用壓電彎曲變換器所給定的范圍內(nèi)即可。
所述支座優(yōu)選地包括一玻璃纖維強化的熱固性塑料。其優(yōu)點是便于制造和價格低廉。為此可采用一種所謂的預(yù)浸樹脂帶，亦即一種尚未完全固化的、較軟的、預(yù)浸漬的且包含纖維的毛坯。該預(yù)浸帶連同敷設(shè)的壓電陶瓷涂層被松散地放入一個合適的壓模中。通過輕輕的擠壓，該預(yù)浸帶浸潤壓電陶瓷的表面以及敷設(shè)其上的電極并與之粘接。通過封閉式熱處理，該預(yù)浸帶最后不可逆地完全硬化成熱固性塑料。由此以簡便的方式獲得了彎曲變換器部件間持久而穩(wěn)定的連接。
此外，當(dāng)用芳族聚酰胺制成的纖維來進(jìn)一步強化熱固性塑料時也是具有優(yōu)點的。芳族聚酰胺除了能提高支座的機械強度外，通過裝入芳族聚酰胺纖維還可進(jìn)一步改善壓電彎曲變換器的機械性能。這是因為芳族聚酰胺具有小于-0.5×10-6/K的負(fù)熱膨脹系數(shù)。由此可提高按照這種制造方法制出的壓電陶瓷的預(yù)應(yīng)力。適合的芳族聚酰胺例如有Dupon公司的商標(biāo)為“Kevlar”的芳族聚酰胺，或者Akzo Nobel公司的商標(biāo)為“Twaron”的芳族聚酰胺。
在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式中，單向設(shè)置纖維并使之平行于支座的預(yù)定縱向延伸。由此在將預(yù)浸帶與壓電陶瓷層熱粘接時可使壓電陶瓷沿縱向獲得校準(zhǔn)的預(yù)應(yīng)力。因此，在有電場加在電極上時，壓電陶瓷會沿其膨脹或收縮方向而被加以預(yù)應(yīng)力。此外，通過單向取向，支座可在縱向上得到最大的彈性模量。而橫向效應(yīng)基本上可忽略不計。
作為用于制造熱固性塑料的材料比較有利地是采用環(huán)氧樹脂。通過采用一種纖維強化的環(huán)氧樹脂來構(gòu)造預(yù)浸帶可容易地并廉價地加工出壓電彎曲變換器。
當(dāng)環(huán)氧樹脂在支座中所占質(zhì)量份額在25％至45％時，支座可獲得特別有利的特性，亦即能同時獲得足夠的硬度和足夠高的柔韌性。
下面借助附圖所示實施方式對本發(fā)明予以詳細(xì)說明，附圖中

圖1為壓電彎曲變換器結(jié)構(gòu)的立體示圖；圖2為壓電彎曲變換器斷面的放大示圖。
其中，對相同的部分用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示。
圖1示出一個雙形態(tài)彎曲變換器1。它具有一個支座2和敷設(shè)在其上的第一壓電陶瓷層4和第二壓電陶瓷層5。該壓電陶瓷在此是一種鉛-鋯酸鹽-鈦-氧化物陶瓷。該支座2是一種用玻璃纖維強化的環(huán)氧樹脂，而該纖維玻璃則是0wens Corning高級材料公司的S2-玻璃，其熱膨脹系數(shù)為1.6×10-6/K。除此之外還添加有芳族聚酰胺制成的纖維，其中，這兩種纖維的重量比在40∶60和60∶40之間。而以往則常采用一種預(yù)浸環(huán)氧樹脂帶作為支座的原材料，該預(yù)浸帶經(jīng)熱處理后與壓電陶瓷層4，5熱粘合并完全硬化。
彎曲變換器1上還具有電連接線6，它們分別通過一個釬焊觸點與設(shè)置在支座2上的電極7和8電連接。在所述壓電陶瓷層4，5的兩側(cè)分別設(shè)置有平面電極9、11或10、12。在此，該支座2的在圖中未詳細(xì)示出的電極7和8在支座2的敷設(shè)有壓電陶瓷層4、5的部位上不是平面的，而是呈網(wǎng)狀織物或者相互平行的板條的形式。因此，在對預(yù)浸帶進(jìn)行熱處理時，尚未完全硬化的環(huán)氧樹脂會通過電極7和8流到電極11和12上，并在完全硬化之后通過電極使支座2與壓電陶瓷層4、5粘接起來。壓電陶瓷層4、5的電極9、10、11和12分別設(shè)計為碳聚合物的平面涂層。由于支座2的熱膨脹系數(shù)比壓電陶瓷的更低，壓電陶瓷在熱處理時會被加以預(yù)應(yīng)力。
圖2為圖1所示彎曲變換器1斷面的放大示圖。從該圖中可看到壓電陶瓷層4、5以及敷設(shè)其上的電極9、11與10、12。敷設(shè)在支座2上的電極7、8設(shè)計為沿支座2的縱向相互平行延伸的板條13?？梢郧宄闯?，玻璃纖維14和芳族聚酰胺纖維15單向定向，亦即沿支座2的縱向定向。這樣，在預(yù)浸帶與壓電陶瓷層4、5熱粘接時，壓電陶瓷沿支座2的縱向會被加以預(yù)應(yīng)力。通過纖維14、15的單向定向，支座2在其縱向會有最大的彈性模量。而橫向效應(yīng)則可忽略不計。
權(quán)利要求
1.一種壓電彎曲變換器(1)，它具有一個包含一種玻璃的支座(2)和一層至少一側(cè)熱粘接在該支座(2)上的壓電陶瓷層(4，5)，其中，該玻璃的熱膨脹系數(shù)小于2×10-6/K。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電彎曲變換器(1)，其中，所述支座(2)包括一個由所述玻璃制成的纖維(14)強化的熱固性塑料。
3.如權(quán)利要求1或2所述的壓電彎曲變換器(1)，其中，所述熱固性塑料還用芳族聚酰胺纖維(15)來進(jìn)一步強化。
4.如權(quán)利要求2或3所述的壓電彎曲變換器(1)，其中，所述支座(2)沿縱向延伸，并且所述纖維(14，15)單向且平行于該縱向地設(shè)置。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項所述的壓電彎曲變換器(1)，其中，所述熱固性塑料是一種環(huán)氧樹脂。
6.如權(quán)利要求5所述的壓電彎曲變換器(1)，其中，所述環(huán)氧樹脂在所述支座(2)中所占的重量百分比在25％至45％之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電彎曲變換器(1)，它具有一個包含一種玻璃的支座(2)和一層至少一側(cè)熱粘接在該支座(2)上的壓電陶瓷層(4，5)，按照本發(fā)明，所采用的玻璃的熱膨脹系數(shù)小于2×10
文檔編號H04R17/00GK1437771SQ01811557
公開日2003年8月20日 申請日期2001年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月21日
發(fā)明者邁克爾·里德爾 申請人:西門子公司