CN102782893B - 弯曲换能器 - Google Patents

Abstract

弯曲换能器（2）具有层构造（10），该层构造包括由压电材料具体而言是压电陶瓷（6）构成的压电有源元件（4）和在其上装配的电极层（8）。为允许压电换能器（2）的高弯曲负载并降低破裂的风险，提供了保护层（14A，14B）在外侧优选在两个侧面上被应用到层构造（10），该保护层具体而言在预应力下被应用到层构造（10）。

Description

弯曲换能器

技术领域

本发明涉及具有层构造的弯曲换能器，包括由压电材料和在其上应用的电极层构成的压电有源元件。

背景技术

压电弯曲换能器通常利用压电效应以便将压电材料的机械变形转换成电信号，并反之亦然。弯曲换能器因此被用于传感器系统例如压力传感器的领域，以及致动器系统例如致动元件的领域。弯曲换能器用作发电机以便生成电能是例如从DE 102008007774A1额外已知的。使用压电陶瓷的能量生成（也称为能量收集）的领域被用于例如发射机的电源，该发射机用于将测量信号（例如来自安排在轮胎中的轮胎压力传感器的压力信号）无线地传输到设置在轮胎外的接收机。

为利用压电效应，压电材料的电接触是必需的。这经被应用在压电材料上的两个侧面上的“电极层”而发生。电极层通常是连续层，但也可以具有结构化。

从这样的层构造形成的压电有源元件经常被应用在机械载体上。如果仅有一个压电有源元件，即具有在其上应用的电极层的压电材料被应用在这样的机械载体的一个侧面上，结果是所谓的单晶弯曲换能器。如果这样的压电有源元件被应用在机械载体的两个侧面上，则结果被称为三晶弯曲换能器。双晶弯曲换能器是指在没有机械载体的情况下两个压电有源元件联结在一起。两个联结对压电有源元件在这里共享共用电极层。在多晶构造中，典型地多于两个压电有源元件在层中被联结。

典型使用的压电材料是压电陶瓷，具体而言是所谓的PZT陶瓷（铅-锆酸盐-钛）。

原则上，希望弯曲换能器的机械弯曲或变形尽可能高，以便生成尽可能大的电信号，具体而言是在用于产生能量时。这受到压电材料非常易碎的材料特征的抵抗。总体而言，为避免损坏，例如压电材料的破坏，压电陶瓷可以被加载至多约1‰的应变和至多约1%的压力。这意味着应变（伸展）的相对延伸ΔL/L可以是至多0.001，并且压力负载（压缩）是至多0.01。超过这个数值的负载可以导致压电陶瓷毁坏。这里应考虑压电材料（压电陶瓷）的层极薄，并且例如具有范围从仅50到400μm的层厚度。压电陶瓷层因此是极薄且易碎的膜。为了生产期间的更简单处理，DE 3310589A1提供了为在电极层被应用之前浸透有合成树脂的压电陶瓷，并且提供了该合成树脂随后被固化成热固塑料。

发明内容

本发明基于指定带有改进的负载能力的弯曲换能器的目标。根据本发明，该目标由具有层构造的弯曲换能器实现，包括由压电材料和在其上应用的电极层构成的压电有源元件，其中层构造在外侧上具有保护层。保护层以合适方式被应用在层构造上，或如果适合则应用在压电材料上，具体而言是以层压的方式与粘合层一起应用。保护层具体而言是电气不运作的，即优选不导电，但自身可以是导体轨或导电层的载体层。在外侧上意味着在此情况下通常由电极层形成的层构造的最上或最下层（外部平面）。

研究显示，具有这种类型的弹性保护层的弯曲换能器对于应变负载和压力负载都具有比没有弹性保护层的实施方案变体高10倍的负载能力。

总之，弯曲换能器因此以层压的方式被形成，由层构造和应用在层构造外侧上的弹性保护层构成。

根据一种优选的配置，保护层在预应力下被应用到层构造上，即应用到层构造的最外层上。保护层和层构造之前的连接因此不是无应力的。相对，保护层在与层构造的连接平面中施加预应力，优选施加压力负载。在（弯曲）负载下的层构造的早期故障或破坏因此被仿佛从外侧施加的所述预应力有效抵消。

预应力在这里具体而言没有优选方向。然而，其可以在一个方向上优选在弯曲换能器的纵向方向上被故意取向，从而使得预应力在与弯曲期间发生的压应力相同的方向上被取向。

预应力在保护层被应用到层构造上的时候被产生。根据保护层的类型，各种可能性为此开放。在弹性保护层的情况下，预应力被实现，例如通过预伸展保护层，该保护层以预伸展状态被应用从而使得弹性恢复力施加预应力。替代地，使用可固化物质来应用保护层，例如以所谓的预浸料的形式或作为清漆被应用。优选地，用于物质应用的物质和/或工艺参数被选择，从而使得预应力在固化期间具体而言是通过收缩工艺被产生。如果层构造也由于所选生产工艺因此在长度上经历改变，则所应用的保护层的收缩大于层构造的收缩。预应力在此情况下具体而言通过热工艺，即通过带有随后冷却的加热处理被产生。例如，保护层在被联结到层构造之前被加热，随后例如粘合地被联结到其上，以便以联结状态冷却。

根据一个优选实施方案，保护层被提供为具有热膨胀系数，该热膨胀系数不同于优选大于层构造具体而言是其最外层的热膨胀系数，以便可靠地产生热预应力。

根据一项优选发展，除预应力之外或替代预应力，保护层具有比层构造具体而言是比压电材料更高的弹性和/或弹性模量。其结果是，破坏的风险进一步降低。在此情况下更高弹性意味着弹性保护层的材料具体而言具有显然更高的屈服强度或屈服应力。屈服应力通常被理解为意味着应力-应变曲线中的应力，直到该应力材料仅显示弹性变形但没有显示塑性变形。弹性模量E通常是指应力-应变曲线中的线弹性区中应力和延长之间的商。弹性模量因此在曲线中的线弹性区中给予（恒定）梯度。

保护层的厚度优选大于50μm，优选大于100μm，并具体而言在直到约1000μm的范围内。保护层的厚度具体而言大于对应的电极层的厚度。例如当使用金电极时，电极层的厚度在几百nm的范围内，并且当使用被称为碳电极的电极时，厚度范围例如从5到50μm。压电材料自身的厚度范围例如从50到400μm。

根据一个有利配置，保护层被应用在层构造的两个外侧上。保护层这里通常在每个情况下被直接连接到接触压电材料的电极层。

弯曲换能器这里可以由不同的层构造表征。例如，弯曲换能器可以具有例如仅一个压电有源元件，即具有在两个侧面上在其上应用的电极层而没有进一步的机械载体层并且没有进一步的额外压电有源元件的一种压电材料。保护层优选在两个侧面上被应用到该单独的压电有源元件上。在使用机械载体层的构造中，例如用于单晶或三晶构造中，在本情况下的机械载体被视为层构造的一部分。在单晶配置中，机械载体在一个侧面上终止层构造。在该实施方案变体中，保护层优选仅被应用在层构造的一个侧面上，即在远离机械载体的侧面上，因为机械载体典型地施加充分大的稳定效应。

在三晶配置中，即其中一个压电有源元件被应用在机械载体的每个侧面上，并且层构造因此由机械载体和安排在其两个相对侧面上的两个压电有源元件组成的配置中，保护层被外部地应用在层构造的两个外侧上，即应用到压电有源元件的最外层侧。原则上，如果多个压电有源元件以堆叠的方式在两个侧面上或在一个侧面上被安排在机械载体上，则同样如此。

在双晶或多晶配置中，其中层构造在没有机械载体的情况下由被相互联结的多个压电有源元件形成，一个电气保护层被优选再次安排在层构造的每个相对外侧上。

弯曲换能器通常具有所谓的中性区，该中性区由层构造的中面形成，该中面典型地平行于层构造的层而延伸。根据一个优选配置，层构造被提供为关于弯曲换能器的中性区被对称地安排，即层构造的中面被提供为不与弯曲换能器的中面重合。优选地，层构造还被提供为被完全移出中性区，从而使得中性区在外侧上毗连层构造，或者甚至被安排在层构造的外侧。该配置具有特别的优点，具体而言是当弯曲换能器被用作生成能量的发电机，以便能够产生有意义量的能量。根据一个优选配置，在此情况下弯曲换能器被提供为被使用并安装，从而使得弯曲换能器仅在一个方向上被加载（弯曲），特定地其方式为使得层构造——由于其被安排在弯曲换能器的中性区的外侧——仅用压力加载，因为压电陶瓷更耐受压力负载。

根据一个有利配置，这由被应用在外侧上的两个保护层的不对称配置而实现。因为层构造与对称构造相比偏离中性区，两个保护层因此在其厚度方面不同。较厚保护层的厚度在此情况下优选大于或等于层构造和较薄保护层的总厚度。

根据一个优选配置，上层压塑料膜被用作具体而言弹性保护层。这被具体而言理解成意味着通过将例如PVC或另一热塑材料形成的可商购的层压膜粘合地联结来附装。这种类型的塑料膜被层压到层构造上，即粘合地联结到其上。可商购的的层压膜为此目的具有特殊的涂层，当加热时该特殊的涂层变得发粘，并因此形成粘合层。

根据一个优选替代方案，保护层由柔性印刷电路板材料组成，例如被称为FR3或具体而言FR4的材料。这样的印刷电路板材料典型地由固化环氧树脂组成。FR4材料是玻璃纤维增强的环氧树脂。这样的印刷电路板材料膜在市场上并在各种实施方案变体中容易可得。该印刷电路板材料的保护层优选也被粘合地联结到层构造。

有利地，数个导体轨或一个导电层被直接应用到保护层上。具体而言，在此情况下保护层是柔性印刷电路板的载体层。该实施方案变体容许压电陶瓷或应用在压电陶瓷上的对应的电极层的具体而言简单且持久可靠的电接触。接触因此使用被额外应用在外侧上的保护层发生。在该实施方案变体中，导电粘合剂被具体而言用于连接到层构造，从而使得在导体轨或载体层与层构造的电极层之间建立导电连接。然而，也可以在任何情况下通过使用极薄的粘合层建立导电连接。

具体而言，当弯曲换能器被配置为柔性印刷电路板的载体层时，该柔性印刷电路板具有在其上安排的导体轨，整个弯曲换能器被配置为预制机电装置，该装置仅需要在为此目的被希望并具体而言在印刷电路板上被形成的接触点被接触并连接。原则上，还有可能的是在柔性印刷电路板上直接安排进一步的电子装置或电路。形成保护层的柔性具体而言是膜型印刷电路板优选在层构造上在边缘突出，并在突出部分区域中具有用于将弯曲换能器与连接线接触的接触面。

导体轨或导电层在保护层上被形成，例如经由具体而言来自印刷电路板技术的本质上已知的方法，例如溅射、电镀、粘合剂联结或滚筒应用。

根据一个优选发展，被直接安排在保护层上的导电层同时为压电元件形成电极，即，导电层可能使用导电粘合剂与压电陶瓷直接接触。

在一项优选配置中，层构造以夹在带有集成导体轨或带有在其上应用的导电层的两个这样的印刷电路板膜之间的形式被安排。具体而言，此外导体轨被提供为在连接面或接触面中结束，在该连接面或接触面，连接线以连接状态优选经由焊接被接触。根据一个有利发展，保护层在此情况下在交替侧面上层构造上方突出，并且在突出部分区域中，由于使简单接触变得可能，因此接触面被形成。

根据第三替代配置，保护层由清漆层形成。在本情况下清漆层是通过以粘性状态将合适的清漆例如合成树脂清漆应用到层构造上例如通过喷雾、粉刷、滚筒被应用来形成并由于应用之后溶剂蒸发因此固化的层。原则上，通常可能除保护层之外，额外地将压电陶瓷与合适的清漆一起灌注，以便改进机械性质。

在优选配置中，弯曲换能器完全通过安排保护层来形成，从而使得换能器在没有被损坏的情况下，在压力负载下被至少压缩约10%，和/或在延长负载下被至少延长约1%。带有保护层的弯曲换能器因此比不使用这样的保护层的弯曲换能器明显具有更强的双向负载能力。

有利地，弯曲换能器被用作致动器，用作传感器和具体而言为生成能量而用作发电机。其在胎压传感器中被优选用作发电机以便为无线信号传输提供能量。

附图说明

将参考附图更详细地解释本发明的实施方案变体。所述附图以示意性地并强烈简化的部分详细类型的展示示出了：

图1A在侧视图中示出了弯曲换能器，

图1B  在没有上保护层的情况下按照图1A示出了弯曲换能器的平面图，

图2A  在侧视图中示出了进一步的实施方案变体的弯曲换能器，

图2B按照图2A示出了弯曲换能器的平面图，

图3以单晶配置示出了弯曲换能器的侧视图，以及

图4以三晶配置示出了弯曲换能器的侧视图。

在附图中，带有相同功能的部分继之以相同的参考号。

具体实施方式

在弯曲换能器2的附图中所展示的各种实施方案变体在纵向方向3上延伸，并在每个情况下具有至少一个压电有源元件4。后者通常由层构成，该层由压电材料具体而言是压电陶瓷6（优选PZT陶瓷）组成。电极层8被安排在压电陶瓷6的两个侧面上。带有电极层8的压电陶瓷6在每个情况下形成压电有源元件4。

压电有源元件4在根据图1A、1B和图2A、2B的实施方案变体中同时形成层构造10。在图3中所展示的单晶配置中，层构造10由机械载体12形成，压电有源元件4被安排在该机械载体的一个侧面上。在根据图4的三晶实施方案变体中，层构造10由机械载体12和在其上两个侧面上被应用的压电有源元件4形成。机械载体自身在各种实施方案变体中基本已知，并例如由绝缘材料或由导电材料例如金属形成。在作为导电元件的配置中，接合电极层8可以被省略。载体12的厚度典型地大于压电元件4的厚度，并典型地范围从0.2到3mm。这些不同层构造10的产生本质上已知。

在附图中所展示的全部弯曲换能器2都由至少一个例如弹性保护层14A、B的额外安排被区分，该弹性保护层在预应力下被具体而言应用到层构造10上。所述保护层因此在联结平面内至少在纵向方向3的取向上施加压力或剪切负载。由预应力施加的力因此从外部区域被引导到中心区域。

尽管在根据图3的单晶配置中，仅一个保护层14A被应用在层构造10的外侧上，但在其他实施方案变体中，在每个情况下一个保护层14A、14B被应用在层构造10的两个相对外侧上。保护层14A、14B在此情况下优选使用合适的粘合剂被应用，例如基于丙烯酸酯或环氧树脂的粘合剂。如果合适，则也可以使用导电粘合剂。保护层14A、14B优选具有大于层构造10的表面积，从而使其在至少一个方向上与层构造边缘侧重叠。

通常，根据图1A、1B、2A、2B和图4的实施方案变体因为层构造以粘合联结形式以夹在两个膜型保护层之间的方式被区分。

在根据图1A、1B的实施方案变体中，没有连续压电有源元件被提供，而是单独部件被安排在两个保护层13A、13B之间的压电有源元件4上。

在图1A中，弯曲换能器2的中性区16由虚线额外表示。中性区16这里由平行于单独层延伸的中心平面，即具有距弯曲换能器2的外部平坦侧面的相同距离的中心平面形成，该外部平坦侧面由两个保护层14A、14B的外部平坦侧面形成。如在图1A中可见，层构造10关于该中性层被不对称地安排，并具体而言完全移出中性区16。在示例性实施方案中，层构造10直接接合中性区16。

在示例性实施方案中，这由两个保护层14A、14B的不同厚度实现。与下保护层14B的厚度D2相比，上保护层14A这里具有相当低的厚度D1。在示例性实施方案中，厚度D2等于厚度D1和层构造10的厚度D3的和。典型地，当仅一个压电陶瓷6层被使用时，层构造10的厚度D3范围例如从50到约500μm。在压电陶瓷6的两个侧面上应用的电极层8在每个情况下具有可以根据电极层的配置而变化的厚度，并且例如当黄金电极被使用时是几百nm。当碳电极被使用时，电极层的厚度是例如5到50μm。碳电极通常被理解为意味着由碳聚合物制作的电极，其中带有石墨的作为额外嵌入粉粒的热固树脂（例如，环氧树脂）被应用。

保护层14A、14B优选由印刷电路板材料，例如称为FR4材料的材料形成。后者是玻璃纤维增强的固化环氧树脂。保护层14A、14B的厚度优选大于100μm。在示例性实施方案中，例如具有范围在200到500μm内的厚度D3的层构造10以及具有范围在100到200μm内的厚度D1的上保护层14A被使用。则下保护层14B的厚度D2在从400到700μm的范围内。

导体轨18方式的导电区在图1A、1B的示例性实施方案中被应用到保护层14A、14B上。保护层14A、14B与导体轨18一起形成膜型柔性印刷电路板。保护层14A、14B在此情况下是所述柔性印刷电路板的载体层，导体轨18被应用在该载体层上。单独电极层8的接触以具体而言简单且有效的方式经导体轨18发生。因此有可能的是以简单方式发生经印刷电路板及其导体轨18传输在机械变形中生成的电信号（电荷载体）。用于向下游连接的控制单元或能量存储传输的单独导体轨18的接触在此情况下经触点（未在此更详细示出）发生，该触点例如由导体轨18的拓宽接触面形成，在该接触面上例如连接线被焊接等。在根据图1B的平面图中，导体轨18的连接可能性未被展示。这些仅由外出导体轨18示意性地展示（仅部分展示）。

为具有大厚度D2的下保护层14B的配置，也有可能的是保护层的多堆单独膜被安排在相互的顶部上。在图1A中展示的这样的弯曲换能器在支持装置中例如在一个末端侧面，例如在其左端被夹持，同时相对的右端形成自由端后者优选仅在由箭头20所指示的弯曲方向上以安装状态被偏斜，因此单独的压电元件4仅由压力被负载。

根据图2A、2B的示例性实施方案在很大程度上与根据图1A、1B的示例性实施方案相对应。在此情况下，弯曲换能器2也由具有在其间安排的（单个）压电元件4的不同厚度的两个相对的保护层14A、14B形成。保护层14A、14B突出——与图1A和1B的示例性实施方案中相同——压电元件4。在根据图2A、2B的变体中，保护层14A、14B在弯曲换能器2的纵向方向上在压电元件4上突出，至此这两个保护层14A、14B在纵向方向上被偏移安排，并具有关于相互的突出区域。在这些突出区域中，接触面22在保护层14A、14B的内侧上被形成，在该接触面上例如连接线被焊接。在此情况下保护层14A、14B还被提供为具有用于接触电极层8（未进一步详细展示）的导体轨18（也未进一步详细展示）。

在图2A中，近似中心地在弯曲换能器的区域中，可能的安放位置24由虚线指示，其中弯曲换能器2例如在其安放末端位置被夹持。图2B示出了一个视图，其在没有安放位置24的情况下关于图2A被旋转约90°。弯曲换能器2的宽度B通常典型地在3和10mm之间的范围内，并在示例性实施方案中是例如5.5mm。典型弯曲换能器2的长度L是例如在20到50mm的范围内，并在示例性实施方案中是例如约30mm。典型弯曲换能器的总厚度D在400到1500μm的范围内，并在根据图1A和2A的实施方案中在约650μm的范围内。

在图中所示的示例性实施方案中，在每个情况下保护层14A、14B作为具有被应用到其上的导体轨18的额外层在外侧上被应用到带有电极层8的层构造10上。在一个替代实施方案变体中，导电层被提供为应用在形成电极层8的保护层14A、14B上。

全部示例性实施方案由保护层14A、14B的使用来区分，其中层构造10优选地以粘合联结的方式被安排在两个保护层14A、14B之间。由于该措施，层构造的负载能力被显著提高，并且破坏的风险被降低。通过该措施，使得弯曲换能器2的全面的可观更高弯曲应力是可能的。

进一步的特殊设计特征被考虑成压电有源层构造10被移出弯曲换能器2的中性区16，以便使得用于发电机操作的有意义的能量生成变得可能。此外，导体轨18或导电层具体而言直接在保护层14A、14B上以便补偿安排在压电陶瓷6上的电极层8的安排应被加强。这是因为通过导体轨18使得具体而言简单的电极层8接触变得可能。总之，具有高负载能力的弯曲换能器2被因此形成，其具有以简单方式可实现并即使在高弯曲应力下仍可靠运作的接触。具体而言，在一种配置中，其中应用到保护层14A、14B上的导电层自身形成电极层（或除电极层8之外被提供），具体而言鲁棒的接触是可能的。这是因为即使在压电陶瓷6的可能撕裂的情况下，后者仍在完整区域上被可靠接触，没有保持不接触的压电陶瓷6表面的部分。导体轨18或导电层例如通过用导电材料例如银、金、碳或铜喷溅、印刷或层压被产生。

参考号列表：

2弯曲换能器

3纵向方向

4压电有源元件

6压电陶瓷

8电极层

10层构造

12机械载体

14A、B保护层

16中性区

18导体轨

20弯曲方向

22接触面

24安放位置

B  宽度

D1厚度

D2厚度

D3厚度

L  长度

Claims (18)

1.一种具有层构造(10)的弯曲换能器(2)，包括由压电材料(6)和在其上应用的电极层(8)构成的压电有源元件(4)，其特征在于，该层构造(10)在外侧上具有保护层(14A，14B)，其中该层构造(10)以夹在形成该保护层(14A，14B)的两个膜之间的方式被安排，这两个膜在该层构造(10)上的边缘侧重叠并且在每种情况下在面朝该层构造(10)的内侧上具有导体轨(18)，该压电有源元件(4)经由该导体轨(18)接触并且在接触面(22)中打开，该接触面安排在重叠的部分区域中并且在其上在连接状态中接触有连接线。

2.如权利要求1所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该保护层(14A，14B)在预应力下被应用到该层构造(10)上。

3.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该保护层(14A，14B)的热膨胀系数大于该层构造(10)的热膨胀系数。

4.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该保护层(14A，14B)具有高于该层构造的弹性和/或弹性模量。

5.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该保护层的厚度(D1，D2)大于50μm。

6.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，所述弯曲换能器还包括中性区(16)，其中该层构造(10)关于该中性区(16)被不对称地安排。

7.如权利要求6所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该两个膜(14A，14B)的厚度(D1，D2)不同，从而使得由于所述两个膜的不同厚度(D1，D2)，该层构造(10)关于该中性区(16)不对称。

8.如权利要求7所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，所述两个膜(14A，14B)中的较厚膜(14B)的厚度(D2)大于或等于该层构造(10)和所述两个膜(14A，14B)中的较薄膜(14A)的总厚度。

9.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该保护层(14A，14B)是上层压塑料膜。

10.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该保护层(14A，14B)由柔性印刷电路板材料组成。

11.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，还包括被应用到该保护层上的一个导电层，其中该保护层(14A，14B)是柔性印刷电路板的载体层。

12.如权利要求11所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该导电层形成该压电有源元件(4)的电极。

13.如权利要求1或2所述的弯曲换能器，其特征在于，该两个保护层的所述两个膜(14A，14B)以不同的长度在该压电有源元件(4)上突出，其中该接触面(22)被安排在因此形成的突出区域中。

14.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该保护层(14A，14B)由清漆层形成。

15.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，所述弯曲换能器可以在没有被损坏的情况下，在压力负载下被至少压缩10％，和/或在延长负载下被至少延长1％。

16.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，所述弯曲换能器被用作致动器或用作传感器。

17.如权利要求1或2所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，所述弯曲换能器被用作用于生成能量的发电机。

18.如权利要求5所述的弯曲换能器(2)，其特征在于，该保护层的厚度(D1，D2)范围从50到1000μm。