CN100505358C - 使压电致动器产生电接通及使该压电致动器极化的方法 - Google Patents

使压电致动器产生电接通及使该压电致动器极化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对一个压电致动器的触点进行焊接以及使该压电致动器的压电陶瓷层极化的方法。所述极化和焊接可同时进行。从而缩短了该方法的持续时间。

Description

使压电致动器产生电接通及使该压电致动器极化的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使压电致动器产生电接通并用于使该压电致动器极化的方法。在该方法中,所述致动器具有至少一个压电陶瓷层,该压电陶瓷层具有两个间隔距离的电触点,其中在该电触点上焊接了电导线,其中在焊接过程中,压电致动器被加热到一个焊接温度。
背景技术
压电性致动器通常由共同烧结的压电陶瓷叠层构成,在该叠层之间配有金属电极。在一个第一侧面上,每隔一个金属电极被引出,并与一个第一金属化带相连。在对置的侧面上配置一个第二金属化带,该金属化带与其它金属电极导电地相连接。于是,设置了两个金属电极系统,它们彼此是电绝缘的。
在压电致动器工作时,会平行于压电陶瓷层的一个极化方向达到大的力,但只能达到小的相对偏移。为了获得小的工作电压,压电致动器由若干个压电陶瓷层组成。为了使压电致动器极化,在两个电极结构上施加一个电极化场,从而产生一种最大剩余极化,和依场方向在陶瓷层的晶体中定向的、相对于未极化的初始状态的域的有序分布。所述极化是在压电陶瓷层的一个温度条件下进行的,该温度高于压电陶瓷层的居里温度。
此外,为了压电致动器的电接通,需要使金属化带同电导线实现接通。为此,将电导线在一种焊接过程中焊牢在金属化带上。
在欧洲专利申请书EP 0 350 941 A2中公开了一种压电致动器和一种用于制造该压电致动器的方法,该压电致动器由多个压电层构成,其中在压电层之间分别布置于一个电极。每隔一个电极与一个金属化带可导电性地相连,该金属带被安置在压电致动器的外侧面上。其它的电极与一个第二金属化带可导电地相连,该金属化带与所述第一金属化带对置地布置在压电致动器的外侧面上。压电致动器为了连接过程而被加热到居里温度以上,从而在电极和压电陶瓷层之间形成一种化合。在一个下面的冷却过程中,可实现压电陶瓷层的极化,其中压电陶瓷层的温度仍然高于居里温度。在较晚些时候的焊接过程中将电导线焊接在金属化带上。
在德国专利申请DE 100 26 635 A1中介绍了一种方法,用于在压电致动器的一个电接触面和一个金属线表面之间实现焊接。在这种情况下,压电致动器的金属化带与平行地布置的金属线相焊接。所述焊接是在压电陶瓷致动器极化之后实现的。在焊接过程中,压电陶瓷致动器所具有的温度低于居里温度。
发明内容
本发明的任务在于:提供一种用于使压电致动器电接通的方法以及用于使压电致动器较快速地极化的方法。
本发明的任务是通过上述类型的方法如此加以解决的:在所述焊接过程中,对电导线施加一个极化电压,使压电陶瓷层(3)实现极化。该方法的优点在于:压电致动器的电接通和该压电致动器的极化都可以在较短时间内予以实现。这一优点是通过以下措施获得的:所述电接通以及极化至少部分地是同时进行的。焊接过程最好在居里温度以上进行,与此同时实现致动器的压电陶瓷层的极化。
本发明的其它有利的实施方式见各项从属权利要求中所述。
根据本发明的方法的一种优选的改进方案,即使在冷却到居里温度之下的阶段中,极化电压也能施加,并被限制在一个最大值内。这样,一方面可以达到可靠地维持极化的目的,另一方面又可避免压电陶瓷层受损害。
根据本发明的方法的另一实施方式,极化电压在达到最大温度之前就施加了,而流经的电流则在致动器的加热过程中被限制在一个最大值内。这样,在达到压电致动器的最大温度之前就已实现了一种极化,与此同时由于限制在一个最大电流值内从而可靠地避免了压电陶瓷层受到损害。根据另一种优选的实施方式,在极化过程中检测所施加的电压并进行分析,借以得出关于极化质量的结论或者得出关于压电致动器质量的结论。
根据另一种优选的实施方式,在极化过程中就检测流过的电流并进行分析,借以评价极化和/或压电致动器。
在一种优选的实施方式中,电导线是经过加热块而被压紧在电触点的焊接面上的,其中所述加热块至少部分地加热致动器。这样,焊接过程通过电导线的机械性的压合而变得容易了,此外还可在焊接的区域内导入所述温度。从而实现焊接过程的改善。
在另一种优选的实施方式中,多个致动器同时与电导线进行焊接,并加以极化。这样就能有效地实现本方法,从而使大批量生产成为可能。
附图说明
下面将参照附图对本发明做详细说明。附图表示:
图1一个压电致动器;
图2焊接过程之后的压电致动器边缘区的横截面;
图3为执行根据本发明的方法的装置的示意图;
图4在执行根据本发明的方法时,不同参数的时间曲线图。
具体实施方式
图1以一个示意图表示一个压电陶瓷致动器1,该致动器具有一个包含多个压电陶瓷层3(图2)的压电陶瓷构件2。在两个层3之间分别形成一个平面的电极4(图2)。电极4都经过金属线5而与一个第一或一个第二触针6、7可导电地相连。每隔一个电极4经过一条金属线5而与第一触针6可导电地相连。其它的电极4都经过金属线5而与第二触针7可导电地相连。这样便形成一个层结构,其中每个压电陶瓷层3都由两个电极4加以限制,这些电极可导电地与不同的触针6、7相连接。通过在第一和第二触针6、7上施加不同的电势,所有的压电陶瓷层3都以相等的电压加载,从而使压电陶瓷层3相应于所施加的电压扩展。
图2表示压电陶瓷构件2边缘区的一个局部横截面。在该压电陶瓷构件2上安装上了一个第一金属化带8。该第一金属化带8可导电地与每隔一个电极4相连。与第一金属化带8相对置,在构件2的另一个面上布置了一个第二金属化带9,该金属化带与其它电极4可导电地相连。金属化带8经过一个焊剂层13而与金属线5可导电地相连。第一金属化带8的金属线5被引到第一触针6上。
按相应的方式,第二金属化带9经过金属线5可导电地与第二触针7相连。
图3表示为用于实施根据本发明的方法的装置示意图。
在制造压电致动器1时,首先用烧结法制造出压电陶瓷层3和电极4。此外还需要进行压电陶瓷层3的极化处理。为此,经过电极4在陶瓷层3上施加一个极化电压,其中压电陶瓷层3具有一个温度,该温度高于压电陶瓷层3的居里温度。此外,须将电导线10、11连接到金属化带8、9上。
按根据本发明的方法,在所示的实施方式中,设置了三个压电构件2。这些构件2都具有压电陶瓷层3、电极4和金属化带8、9。金属化带8、9被布置在横截面图中呈正方形设计的构件2的对置的侧面上和正相反布置的角区中。将所述第一和第二电导线10、11贴靠在第一和第二金属化带8、9上。第一和第二电导线10、11都是金属线形式的,并与一个电源12可导电地相连。电导线10、11的端头连接在间隔块14上。
构件2被加热到一个温度,该温度高于压电层3的居里温度。然后将电导线10、11压紧到第一和第二金属化带8、9上。此外,在第一和第二金属化带与第一和第二电导线10、11之间加入焊剂13。将焊剂13作为焊料使用,这种焊剂所具有的焊接温度高于所述居里温度。最好使用加热元件15来压紧第一和第二电导线10、11,该加热元件除了用于压紧第一和第二电导线10、11之外,同时还能至少部分地加热所述构件2。根据一个优选的实施方式,焊剂13以焊剂膜16的形式放入到金属化带8、9与第一和第二电导线10、11之间。
与此同时为了进行焊接,经过电源12在电导线10、11上施加极化电压,从而实现压电陶瓷层3的极化。在进行极化时,使用1至2kV/mm的场强度。所用的电流值在几个A/cm2。最好在达到构件2的一个最大温度之前便实施极化。当构件2从最大温度冷却到居里温度以下时,最好仍保持极化电压。为了在加热构件2时使电流强度不致超过一个最大电流,电流强度由电源12限制在一个最大值内。与此同时,在构件2冷却时所施加的电压由电源12限制到一个最大值内,借以避免损害压电陶瓷层3。
电导线10、11被焊到所述第一及第二触针6、7上。在焊接过程和极化过程完成之后,将电导线10、11加以拆开成单导线而用于每个致动器,从而获得如图1所示的单个致动器1。
图4以一个简图表示出极化电压U和极化电流I的时间曲线图。为此,在图中示出金属化带8、9表面上的温度TO和压电陶瓷层3的温度TK。图中还加入了对于压电陶瓷层3的居里温度和用于所用焊料的焊接温度。图中还绘出在时间t上的特征曲线。
在极化过程和焊接过程开始时,将电导线10、11压紧在金属化带8、9上,构件2尚未被加热,电源12亦尚未施加极化电压。
到达一个第一时间点t1时,施加极化电压U。与此同时,经过加热块15对构件2进行加热。到一个第二时间点t2,压电陶瓷层3的温度TK达到居里温度。压电陶瓷层3的导电性随着温度升高而增大,从而电流I升高,电压U下降。到一个第三时间点t3,构件2的表面温度TO达到焊接温度,从而开始焊接过程。焊接温度高于居里温度。到一个第四时间点t4,焊接过程结束,加热块15被断开,从而使构件2冷却。在第三时间点t3和第四时间点t4之间的时间间隔中,限定最大流经电流。在第四时间点t4之后,表面温度TO和压电陶瓷层3的温度TK都下降。压电陶瓷层3的电阻随温度的下降而升高,从而使电压U再次升高。电源12的作用在于:使极化电压U不超过一个最大值。为此,在电源12上设置了一个相应的电压调节装置。
在居里温度以下,在一个第五时间点t5出现一个电荷冲量,它反映出电流强度I的瞬间升高。该电荷冲量可以用来进行压电致动器1的计值。该电荷冲量最好与一个比较电荷冲量进行比较。如果被测量的电荷冲量高出或低于该比较电荷冲量一个确定的值,即可识别出压电致动器有缺陷。根据另一种优选的实施方式,在一个控制装置17中为极化过程和焊接过程中的极化电压设定一些比较曲线。控制装置17将在焊接过程和极化过程中所存在的电压曲线和/或所存在的电流曲线与所设定的电压曲线或所设定的电流曲线进行比较。从这一比较中便可得出关于极化质量和/或关于压电致动器1的质量的结论。如果所测定的电压曲线或者所测定的电流曲线比原设定的电压曲线或电流曲线相差大于一个确定值时,则识别出一个有缺陷的致动器1。若致动器1被认为有缺陷,则将该致动器1排除,不将之再进行处理。

Claims (11)

1.用于使一种压电致动器(1)产生电接通并使该压电致动器(1)极化的方法,其中致动器(1)具有至少一个压电陶瓷层(3),该压电陶瓷层具有间隔距离的两个电触点(8,9),其中在该电触点(8,9)上焊接了电导线(5,10,11),其中在焊接过程中,压电致动器(1)被加热到一个焊接温度,其特征在于,在所述焊接过程中,对电导线(5,10,11)施加一个极化电压,使压电陶瓷层(3)实现极化。
2.按权利要求1所述的方法,其特征在于,使用一种焊料(13),其焊接温度高于压电陶瓷层(3)的居里温度。
3.按权利要求1或2所述的方法,其特征在于,即使在冷却过程中也能施加极化电压;在致动器冷却过程中该极化电压被限制在一个最大值内。
4.按权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在加热过程中在达到一个最大温度之前施加所述极化电压;在致动器(1)的加热过程中,电流被限制在一个最大值内。
5.按权利要求1或2所述的方法,其特征在于,检测在极化过程中的极化电压并加以分析,借以评价所述压电致动器(1)。
6.按权利要求1或2所述的方法,其特征在于,检测在极化过程中流过的电流并进行分析,借以评价所述压电致动器。
7.按权利要求1或2所述的方法,其特征在于,电导线(10、11)经过加热块(15)被压紧在电触点(8,9)的焊接面上;加热块(15)至少部分地加热所述致动器(1)。
8.按权利要求1或2所述的方法,其特征在于,多个致动器(1)同时地与电导线(10、11)相焊接、并加以极化。
9.按权利要求8所述的方法,其特征在于,一个电触点(8、9)的电导线(10、11)在焊接和极化时整体地用于多个致动器(1);在焊接和极化之后该电导线(10、11)加以拆开而获得单个致动器(1)。
10.按权利要求9所述的方法,其特征在于,在焊接和极化之前将所述电导线(10、11)连接到触针(6、7)上。
11.按权利要求1或2所述的方法,其特征在于,致动器(1)在焊接过程中加热到压电陶瓷层(3)的居里温度以上。
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