專利名稱：壓電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電元件，它由一個第一堆垛、一個第二堆垛和一個安置在第一堆垛和第二堆垛之間的中間層組成，所述堆垛由大量壓電陶瓷層堆疊形成，其中，各電極安置在各堆垛內(nèi)各陶瓷層之間和限制堆垛的陶瓷層的外側(cè)上。
一種這樣的壓電元件由德國專利DE 35 18 055 A1和DE 34 34 726 C2公知。為了操作該壓電元件，向所述電極施加一個電壓，使得所述第一堆垛的壓電陶瓷層分別伸長，而所述第二堆垛的壓電陶瓷層收縮，或者相反。這就導(dǎo)致壓電元件彎曲，這種彎曲用于操作一個機械開關(guān)或一個電氣開關(guān)。安置在兩個堆垛之間的中間層同樣是陶瓷層，然而其本身沒有主動運動。此外，中間層的陶瓷或者沒有極化，因而在壓電方面不是激活的，或者在控制所述壓電元件時該中間層不承受電場。該中間層用于平衡所述兩個堆垛的相反運動，因而提高了所述壓電元件的壽命。
由大量上下堆疊的陶瓷層組成的壓電元件也稱作所謂的多層(multimorphes)壓電元件。與此相反，由唯一一個連貫的陶瓷層組成堆垛的壓電元件稱作雙層或三層壓電元件，這要根據(jù)在兩層陶瓷層之間是否設(shè)置一個中間層而定。與雙層或三層壓電元件相比，多層壓電元件的優(yōu)點是，施加較低的電壓就可得到相同的機械能。其原因是，多層壓電元件中各陶瓷層的厚度遠遠小于雙層或三層壓電元件中陶瓷層的厚度，因此在相同的電壓下，根據(jù)公式E＝U/d(式中，E為電場強度，U為施加電壓，d為陶瓷層厚度)，電場強度更高。
此外，由日本專利JP 60-178677 A2公知一種多層壓電元件，其中，中間層的材料與陶瓷層的材料不同。
然而，多層壓電元件的缺點是，由于有許多較薄的上下堆疊的陶瓷單層，其易斷裂且機械穩(wěn)定性相對較低。因此在負荷作用下，各單層常常相互偏移。此外，與雙層或三層壓電元件相比，多層壓電元件的效率較低。多層壓電元件的制造成本也更高。
由于上述原因，至今為止在技術(shù)應(yīng)用中主要采用雙層或三層壓電元件，雖然多層壓電元件可在更低的電壓下工作。壓電元件的技術(shù)應(yīng)用例如有用作噴墨打印機的壓電壓力測頭，用作麥克風(fēng)或擴音器的拾音器或音頻發(fā)生器，用作測速計或測壓計的傳感器，用作煤氣表的測量值記錄器，尤其用作彎曲變換器，例如用作在布萊葉盲字行、盲人閱讀器、紡織機、氣動閥、書寫式測量儀或在非接觸式表面測量儀等中的調(diào)節(jié)元件。在此，低的工作電壓使得所述壓電元件也可應(yīng)用在有爆炸危險的場所，例如用在化學(xué)工業(yè)或采礦工業(yè)中。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種多層壓電元件，它與雙層或三層壓電元件相比具有工作電壓較低這一優(yōu)點，尤其是采用本發(fā)明的壓電元件可克服所述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點。
為了實現(xiàn)本發(fā)明目的，提供了一種壓電元件，它由一個第一堆垛、一個第二堆垛和一個安置在第一堆垛和第二堆垛之間的中間層組成，所述堆垛由大量壓電陶瓷層堆疊形成，其中，各電極安置在各堆垛內(nèi)各陶瓷層之間和限制堆垛的陶瓷層的外側(cè)上；其中，中間層的材料與陶瓷層的材料不同，其中，根據(jù)本發(fā)明，該中間層構(gòu)造成一個由一種纖維復(fù)合材料或玻璃制成的支撐體。
通過將該中間層構(gòu)造成一個由一種纖維復(fù)合材料或玻璃制成的支撐體，就創(chuàng)制了一種由一種復(fù)合材料制成的多層壓電元件。與不考慮電極純陶瓷的多層壓電元件相比，本發(fā)明的壓電元件具有高得多的機械穩(wěn)定性。一種這樣的中間層不僅用于平衡電壓，而且附加地起到承載和支承整個壓電元件的作用。
通過將一個由一種纖維復(fù)合材料或玻璃制成的支撐體用于一個多層壓電元件，附加地改善了從電能轉(zhuǎn)換成機械能的效率。通過用這樣一種支撐體來替換多層壓電元件的一部分陶瓷材料，壓電元件的易斷裂性大大降低，這尤其在安裝或工作時提供了不可估量的優(yōu)點。此外，采用這種方式節(jié)約了制造成本，因為壓電陶瓷材料，尤其是多層壓電元件的多層材料是相對較貴的。
本發(fā)明創(chuàng)造了一種多層壓電元件，它可用低的電壓來控制；具有高的效率在具有高機械穩(wěn)定性的同時還具有低的易斷裂性；由于效率得到改善，與可比較的純陶瓷多層壓電元件相比，采用較少的相對較貴的陶瓷多層材料。在此，陶瓷多層材料是指這么一種材料，它由上下堆疊的陶瓷層(極化的或非極化的)和設(shè)置在陶瓷層之間的電極(例如為一種金屬化)組合而成。
為在節(jié)約陶瓷多層材料的同時提高壓電元件的機械穩(wěn)定性和效率，選擇支撐體的厚度大于在一個堆垛內(nèi)或在所述陶瓷多層材料內(nèi)各單層陶瓷層的厚度。在此，如果支撐體的厚度基本上等于堆垛的厚度的話，那么尤其可以使得所述壓電元件具有優(yōu)異的性能。因此，尤其與一種純陶瓷多層壓電元件相比，因為節(jié)省陶瓷多層材料，可以節(jié)省高達三分之一的材料成本。
在制造時，采用一種所謂的半固化材料(一種尚未硬化的軟的預(yù)注原料)作為纖維復(fù)合材料。在制造時，簡單地按順序地上下松散堆疊第一堆垛，為半固化材料形式的支撐體和第二堆垛，接著施加壓力壓緊，通過熱處理在半固化材料硬化條件下相互粘貼在一起。
在本發(fā)明的另一有利設(shè)計中，所述纖維復(fù)合材料為一種用碳纖維或玻璃纖維強化的環(huán)氧樹脂。這就提高了機械穩(wěn)定性和抗破損強度。
如果所述支撐體由玻璃制成，那么由壓電陶瓷層或陶瓷多層材料制成的兩個堆垛就通過一種合適的粘合劑與該支撐體粘合在一起。
為了使該壓電元件可以低的工作電壓工作并具有高效率，陶瓷層的厚度分別在20和40μm之間以及支撐體的厚度在100和1000μm之間是相宜的。對這樣厚度的各陶瓷層而言，運行電壓在20至80V之間就足以產(chǎn)生大于1kV/mm的電場強度。為了在將所述壓電元件用作調(diào)節(jié)元件或彎曲元件時保持一個足夠大的調(diào)節(jié)力或彎曲力，電場強度有必要高于1kV/mm。
從原理上看，所述多層壓電元件可以按兩種方案受控制。在第一種方案中，一個堆垛內(nèi)的所有陶瓷層都相互平行，并沿堆疊方向極化。運例如通過施加一個強度為幾kV/mm的定向均勻電場來實現(xiàn)。控制這樣一種壓電元件的方法是，在一個堆垛內(nèi)從電極到電極所施加的電壓降低或增加相同的量。這樣，一個堆垛內(nèi)的各壓電陶瓷層就具有相同的電場，但處于不同的水平上。因此，一個堆垛內(nèi)的所有受控壓電陶瓷層都進行相同的運動，即或者收縮，或者伸長。為了使所述壓電元件彎曲，設(shè)定一個堆垛的陶瓷層收縮，而另一堆垛的陶瓷層伸長，或者僅僅控制一個堆垛，而另一堆垛的陶瓷層不運動。
最后一個優(yōu)點是，所述壓電陶瓷層不必與其極化方向相反來承受電場。所以在電壓與極化方向相反時，可以僅僅施加一個最大能產(chǎn)生矯頑電場強度一半的電壓，如果不這樣，所述壓電陶瓷會去極化，運就會降低壓電效應(yīng)。然而，在這種控制中，與在一個堆垛內(nèi)陶瓷層數(shù)量相對應(yīng)，施加在各陶瓷層上的電壓疊加到一個可觀的總電壓。此外，一個堆垛內(nèi)的各電極必須分別接觸，因為每個電極都處于另一電位上。
因此優(yōu)選采用第二種控制方案，為此，一個堆垛內(nèi)的相鄰陶瓷層以相反的、但同樣并行于堆疊方向的方向進行極化。為了控制這樣一種多層壓電元件，在相鄰陶瓷層的電極上施加等電壓的、但有不同極性的電位。這樣，相鄰陶瓷層就被施加了一個大小相等、方向不同的電場。因此從堆垛方向看，每隔一個電極，電極就處于相同的電位上。因此，相宜地將每個堆垛的電極分成電氣相連的第一組電極和第二組電極，并使得相鄰電極分別屬于不同的電極組。然后，為了控制，第一組電氣相連的電極與一個電源的某一極相連接，第二組電氣相連的電極與該電源的另一極相連接。在此，電源僅需提供一個相對較低的電壓，它足夠與各陶瓷層的厚度相對應(yīng)產(chǎn)生一個為進行控制所必需的電場。正如已提及的那樣，在陶瓷層的厚度為20至40μm時，該電壓值約為20至80V。
在本發(fā)明的一個有利設(shè)計中，一個堆垛內(nèi)的第一組電極和第二組電極分別通過第一邊緣電極或分別通過第二邊緣電極相互電接觸，其中，第一邊緣電極和第二邊緣電極安置在各自堆垛的相對側(cè)面上；其中，第一組電極和第二組電極分別與第二邊緣電極或第一邊緣電極電隔離。這樣一種堆垛的電極在垂直于堆疊方向的截面上象兩個相互鑲嵌的梳子一樣。在這種情況下，尤其有利的是，一個堆垛的壓電陶瓷層的數(shù)目為奇數(shù)。所以用這種方式，兩個處于外側(cè)的堆垛電極就屬于兩個不同的電極組，因此，這樣一種由壓電陶瓷層組成的堆垛通過在外側(cè)電極上施加一個電壓，就可以與一個同樣具有外側(cè)電極及相同厚度的整體式壓電陶瓷一樣的方式被激活。然而，激活所述整體式壓電陶瓷所需的工作電壓為激活所述堆垛所需工作電壓的數(shù)倍。
為了使這樣一種壓電元件接觸，其中，堆垛分別由奇數(shù)層壓電陶瓷層構(gòu)造，各電極以所述的方式組合在一起，相宜地配設(shè)三個電觸點。在此，第一堆垛的外側(cè)電極具有第一電觸點，第二堆垛的外側(cè)電極具有第二電觸點，在第一堆垛或第二堆垛直接座落在支撐體上的兩個內(nèi)部電極具有一個共用的第三電觸點。該共用的第三觸點例如設(shè)置在所述支撐體本體上，如果該支撐體是導(dǎo)電的話。否則，在所述支撐體上敷設(shè)導(dǎo)電層。為了與電源相連接，相應(yīng)的連接電纜通過所述各觸點與所述壓電元件相連接。此外，各觸點例如由一種可釬焊的材料制成。
為了控制，第一觸點和第二觸點與直流電源的相反極相連接。所述為內(nèi)部電極所共用的觸點通過一個可控電源交替地施加兩個極的一個電位和另一電位。在此，尤其在第一觸點和第二觸點接通時應(yīng)注意，在各壓電陶瓷層內(nèi)形成的電場指向極化方向。在這樣一種控利中，僅有一個堆垛施加電壓，并因而被激活。另一堆垛保持為非激活態(tài)。與施加在第三觸點上的電壓相對應(yīng)，壓電元件一會兒向某個方向彎曲，一會兒向另一方向彎曲。在此，各壓電陶瓷層在激活時總是具有朝極化方向的電場。從而確切無疑地避免壓電元件去激活。
為了特別良好地將電能轉(zhuǎn)換為機械能，有利的是，支撐體的面積大于所述堆垛的支承面積，因此支撐體的自由部分從所述堆垛中伸出。用這種方式，通過所述支撐體的杠桿效應(yīng)可增大壓電元件的調(diào)節(jié)行程或偏轉(zhuǎn)行程。
用于共同接觸第一堆垛或第二堆垛的內(nèi)部電極的第三觸點有利地通過一種至少部分地安裝在支撐體的自由部分上的金屬箔來實現(xiàn)，尤其通過一種銅箔來實現(xiàn)，該銅箔適于設(shè)置釬焊觸點。在此，在支撐體本身導(dǎo)電時或者在電絕緣支撐體敷設(shè)有一層導(dǎo)電涂層時，該金屬箔僅僅安置在支撐體的自由端上，或者在支撐體為電絕緣體時，該金屬箔部分地安置在支撐體和堆垛的相應(yīng)內(nèi)部電極之間。
下面借助附圖對本發(fā)明的實施例作進一步說明，附圖中

圖1示出一種多層壓電元件的剖面圖，該壓電元件被構(gòu)造成彎曲變換器，并帶有一個支撐體；圖2為圖1所示剖面的局部放大視圖，其中為支撐體敷設(shè)一導(dǎo)電層。
圖1示出一種壓電元件的剖面圖1，該壓電元件1被構(gòu)造成彎曲變換器，并帶有一個第一堆垛3和一個第二堆垛4，這兩個堆垛3、4分別由多層堆疊的陶瓷層6以及設(shè)置在各陶瓷層之間和邊界外側(cè)上的電極7組成。這兩個堆垛3、4安裝在一個支撐體9的兩側(cè)，該支撐體9由一種由碳纖維強化的環(huán)氧樹脂組成，因而是導(dǎo)電的。支撐體9的面積比兩個堆垛3、4的支承面積大，因此支撐體9的自由部分10從堆垛3、4中伸出。支撐體9的自由部分10固定在一個圖中示意性示出的固著裝置11中。將支撐體9的由所述堆垛包圍的部分固定在固著裝置11中同樣是可能的。
為了使壓電元件1電接觸，在支撐體9自由端10的兩側(cè)安設(shè)銅箔12、13。在此，銅箔12、13或粘貼在支撐體9上，或在支撐體9的環(huán)氧樹脂硬化過程中與其結(jié)合。通過這兩層銅箔12、13，支撐體9借助兩個釬焊觸點14、15通過連接線17與一個可接在一個直流電源的正和負電位上的接線柱18相連接。此外，第一堆垛3的外側(cè)電極通過一個釬焊觸點20與所述直流電源的正極23相連接，第二堆垛4的外側(cè)電極通過另一個釬焊觸點22與所述直流電源的負極24相連接。
圖2詳細示出在堆垛3、4內(nèi)的電極7的布置。在這樣一種線路布置中，電極7沿堆垛方向交替地單獨通過各自的外側(cè)電極與所述直流電源的正極23或負極24相連接，和單獨通過支撐體9與所述直流電源的可接通接線柱18相連接。如果該可接通的接線柱18處于正極23的電位上，那么在第二堆垛4的陶瓷層6內(nèi)產(chǎn)生一個電場，與此相反，在第一堆垛3的陶瓷層6內(nèi)則不出現(xiàn)電場。這種在圖2中詳細示出的上下布置的陶瓷層的相反極性使得在第二堆垛4內(nèi)的全部陶瓷層6收縮；所述彎曲變換器的自由端25沿標出的箭頭方向向下運動。與此相對應(yīng)，如果所述直流電源的可接通接線柱18處于負極24的電位上，那么壓電元件1的自由端25沿標出的箭頭方向向上運動。
圖2為局部放大視圖，詳細示出圖1所示壓電元件1的結(jié)構(gòu)。然而在該結(jié)構(gòu)中，支撐體9不是如圖1所示由一種由碳纖維強化的環(huán)氧樹脂制成，而是由一種由玻璃纖維強化的環(huán)氧樹脂制成，因而是不導(dǎo)電的。為清晰起見，圖2中沒有示出第二堆垛4。然而第二堆垛4構(gòu)造方式與示出的第一堆垛3相同。
在圖2所示的壓電元件1中，第一堆垛4的電極7和以同樣方式構(gòu)造的第二堆垛4的電極被分成第一組電極28和第二組電極30，它們分別電連接。在此，第一組電極28借助一個安置在第一堆垛3的一個端部上的第一邊緣電極31相互電連接，第二組電極30通過一個安置在第一堆垛3的另一端部上的第二邊緣電極32相互電連接。在此，兩個邊緣電極31、32為一種金屬化形式，被安置到堆垛3和未示出的堆垛4的端部。第一組電極28與第二邊緣電極32電隔離，因為邊緣電極32的長度比堆垛3的長度短，因此在第二邊緣電極32和第一組電極28之間分別有一個間隙33存在。同樣對于第二組電極30也如此，在第一邊緣電極31和第二組電極之間分別有一個間隙34。在各電極7之間分別設(shè)置陶瓷層6，其中，相鄰陶瓷層6具有相反的極性，如圖2中箭頭方向所示。每個堆垛3、4的陶瓷層6的數(shù)目都是奇數(shù)。在所示情況下，各堆垛都包含七層陶瓷層。
以所示方式方法將上下堆疊的壓電陶瓷層構(gòu)建成堆垛3、4，使得可以象對待一個帶有外置電極的單個壓電陶瓷層一樣的方式和方法來控制該堆垛3，4。所以，如果一個堆垛3、4的兩個外側(cè)電極上施加一個電壓，那么在各陶瓷層6內(nèi)產(chǎn)生電場，其中，相鄰陶瓷層的電場分別有相反的方向。因為相鄰陶瓷層的極性方向也相反，因此一個堆垛的各陶瓷層6可用相同方式控制。在此，電場方向與極性方向相同。
對圖2所示壓電元件1而言，屬于支撐體9的第一堆垛3(對沒有示出的第二堆垛4也相同)的內(nèi)電極的接觸通過一個附加的擱置在支撐體9上的導(dǎo)電層36得以確保。在該導(dǎo)電層36上，在支撐體9自由部分10上設(shè)置一層銅箔12，它通過釬焊觸點14與所述直流電源的可接通接線柱18相連接。
如果所述直流電源的可接通接線柱18被施加所述負極的電位，那么第一組電極28都與所述負極相接觸。第二組電極30通過所述外側(cè)電極借助釬焊觸點20與所述直流電源的正極23相連接。用這種方式，在每一陶瓷層6內(nèi)都會產(chǎn)生方向和極化方向相同的電場(參看所示箭頭)。與此相對應(yīng)，第一堆垛3的所有電極6垂直于電場方向收縮，也就是說，第一堆垛3沿支撐體9的方向縮短。因而支撐體9向上彎曲。
權(quán)利要求
1.一種壓電元件(1)，它由一個第一和第二堆垛(3、4)和一個安置在第一和第二堆垛(3、4)之間的中間層組成，所述堆垛包含大量壓電陶瓷層(6)，其中，各電極(7)安置在各堆垛內(nèi)各陶瓷層(6)之間和限制堆垛(3、4)的陶瓷層(6)的外側(cè)上，其中，中間層的材料與陶瓷層(6)的材料不同，其特征在于該中間層構(gòu)造成一個由一種纖維復(fù)合材料或玻璃制成的支撐體(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電元件(1)，其特征在于支撐體(9)的厚度大于各單層陶瓷層(6)的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電元件(1)，其特征在于所述纖維復(fù)合材料為一種用碳纖維或玻璃纖維強化的環(huán)氧樹脂。
4.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的壓電元件(1)，其特征在于陶瓷層(6)的厚度分別在20和40μm之間，支撐體(9)的厚度在100和1000μm之間。
5.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的壓電元件(1)，其特征在于各堆垛(3、4)內(nèi)的各電極(7)分別被分成電氣相連的第一組(28)電極(7)和第二組(30)電極(7)；相鄰電極分別屬于另一組；相鄰陶瓷層(6)具有相反的極化方向(38)，而極化方向平行于堆疊方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電元件(1)，其特征在于一個堆垛(3、4)內(nèi)的第一組(28)和第二組(30)電極(7)分別通過第一邊緣電極(31)或分別通過第二邊緣電極(32)相互電接觸，其中，第一邊緣電極(31)和第二邊緣電極(32)安置在各自堆垛(3、4)的相對側(cè)面上，第一組(28)和第二組(30)的電極(7)分別與第二邊緣電極(32)或第一邊緣電極(31)電隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電元件(1)，其特征在于一個堆垛(3、4)的第一組(28)和第二組(30)電極(7)在朝第二邊緣電極(32)或第一邊緣電極(31)的方向被縮短，以便電隔離。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項所述的壓電元件(1)，其特征在于每個堆垛(3、4)包含的陶瓷層(6)數(shù)目都為奇數(shù)；在設(shè)置于第一堆垛(3)外側(cè)上的電極上設(shè)置第一電觸點(20)，在設(shè)置于第二堆垛(4)外側(cè)上的電極上設(shè)置第二電觸點(22)，在直接座落在支撐體(9)上的電極上設(shè)置一個共用的第三電觸點(14、15)，其中，第一觸點(20)和第二觸點(22)分別與第二組(30)電極電接觸，第三觸點(14、15)與第一組(28)電極電接觸。
9.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的壓電元件(1)，其特征在于支撐體(9)的面積大于堆垛(3、4)的支承面積，因此支撐體(9)的自由部分(10)從堆垛(3、4)中伸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓電元件(1)，其特征在于設(shè)置在支撐體(9)和堆垛(3、4)之間的電極通過一種至少部分地安裝在支撐體(9)的自由部分(10)上的金屬箔實現(xiàn)接觸，尤其通過一種銅箔(12、13)實現(xiàn)接觸，該銅箔適于設(shè)置釬焊觸點(14、15)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電元件(1),它由一個第一和第二堆垛(3、4)和一個安置在所述第一和第二堆垛(3、4)之間的中間層組成,所述堆垛包含大量壓電陶瓷層(6)。該中間層構(gòu)造成一個由一種纖維組合材料或玻璃制成的支撐體(9)。該多層壓電元件(1)具有高的效率和高的機械穩(wěn)定性,并可在低電壓下工作。
文檔編號H01L41/09GK1270705SQ98809169
公開日2000年10月18日 申請日期1998年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者邁克爾·里德爾 申請人:西門子公司