CN104247064A - 包括保护膜的压电振子 - Google Patents

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Abstract

本发明用于提高超声波加湿器用振子的耐久性及耐化学性,其特征在于,包括:盘形的压电体,其将电信号转换为机械振动;电极,其为施加电信号而形成在所述压电体的两面上;以及保护膜,其由高分子物质来保护所述电极的两面中的至少一面。

Description

包括保护膜的压电振子
技术领域
本发明涉及包括保护膜的压电振子,更具体地,涉及作为超声波加湿器用振子,为了提高耐久性及耐化学性而包括电极保护膜的压电振子。
背景技术
压电元件作为利用了向电介质施加机械压力时产生电压,在施加电压时产生机械变形的压电效果的元件,在自动点火装置、压电传感器、超声波传感器、听筒、超声波产生器等中使用。
使用于加湿器的超声波产生器是根据电信号而产生机械振动,从而将水雾化成微细的水滴状态并使其喷出的振子,其通常加工为盘形态,并在盘的两面形成电极,电极的一面与加湿器水槽的水接触,电极的另一面与电线连接而与加湿器的发振电路连接。
超声波产生器用振子的电极通常使用这样的银烧制法而形成:通过网版印刷等的方法,在压电元件上涂布一定厚度的银(Ag)焊膏,然后进行热处理而进行粘贴。
关于银电极,当振子在水中进行超声波振动时,由于在振动过程中发生的空穴(cavitation)现象和侵蚀作用,银电极容易被磨损,由此导致振子的雾化性能显著下降。对于这样的侵蚀作用,通过在银(Ag)电极上形成维氏(Vickers)硬度高或腐蚀度小的保护层而能够提高振子的寿命,而作为电极的保护层,形成耐腐蚀的不锈钢(stainless steel)或耐化学性强的TiN,Ni镀金层或玻璃膜保护层。
但是,在将金属材质的薄膜粘贴于电极上而形成保护膜的情况下,存在因保护膜与压电体之间的热膨胀系数之差而导致保护膜从电极掉下来的缺点,并且在由陶瓷物质形成保护膜的情况下,由于在工序中利用真空装置,因此存在工序时间长且制造费用增加的问题,并且在利用镀金来形成保护膜的情况下,电极层被酸或碱溶液而侵蚀,由此减弱与陶瓷之间的粘接力,并且由废液而引起环境污染问题。
发明内容
技术课题
为了解决上述的问题点,本发明提供如下的压电振子:由耐久性和耐化学性优异的聚酰亚胺或特氟龙这样的高分子物质来形成压电振子的保护膜,从而防止保护膜从电极掉落的现象和腐蚀现象。
解决课题的手段
为了解决上述的技术课题,本发明的压电振子的特征在于,包括:盘形的压电体,其将电信号转换为机械振动;电极,其为施加电信号而形成在所述压电体的两面上;以及保护膜,其由高分子物质来保护所述电极的两面中的至少一面。
作为本发明的优选一实施例,其特征在于,所述压电振子在与液体接触的面上形成所述保护膜,所述保护膜为高分子薄膜,所述高分子物质为聚酰亚胺(polyimid)或特氟龙(teflon),在所述电极与保护膜之间还包括环氧树脂的粘结剂层。
作为本发明的另一实施例,压电振子的保护膜形成方法包括:准备将电信号转换为机械振动的盘形的压电体的步骤;在所述压电体的两面形成电极的步骤;以及形成由高分子物质来保护所述电极的至少一面的保护膜的步骤。
作为本发明的优选一实施例,其特征在于,将高分子薄膜按照电极的形状来切割并粘贴而形成所述保护膜,并且使用粘结剂而在所述电极粘贴保护膜。
作为本发明的优选一实施例,其特征在于,使用粘贴有粘接剂的粘接带而形成所述保护膜。
作为本发明的优选一实施例,其特征在于,旋涂(spincoating)液态的高分子而形成所述保护膜。
作为本发明的优选一实施例,其特征在于,喷涂(spray coating)液态的高分子而形成所述保护膜。
作为本发明的优选一实施例,其特征在于,将高分子气化并沉积而形成所述保护膜。
发明效果
在本发明中,位于第一电极或第二电极上的保护膜的材料由耐化学性和耐久性优异的高分子物质构成,因此即便在保护膜与导致第一电极或第二电极的腐蚀的外部物质接触的情况下,也不容易发生腐蚀,由此延长压电元件的寿命,提高动作效率。
本发明的压电元件在超声波加湿器中以喷雾液的方式使用水的情况下,即便驱动500小时,也几乎不发生喷雾量的损失,在驱动1,000小时时,喷雾量的损失为3%以下,因此具备延长寿命的有利效果。
附图说明
图1是本发明的一实施例的压电元件的立体图。
图2是表示图1所示的压电元件的后面的俯视图。
图3是沿着Ⅲ-Ⅲ线而切割图1所示的压电元件而表示的截面图。
图4至图10是表示本发明的一实施例的压电元件的制造方法的图。
具体实施方式
本发明的压电振子包括:盘形的压电体,其将电信号转换为机械振动;电极,其为了施加电信号而形成在所述压电体的两面上;以及保护膜,其由高分子物质来保护所述电极的两面中的至少一面。
实施方式
下面,参照附图,对本发明的实施例进行详细说明,以使本领域技术人员能够容易地实施本发明。本发明可体现为各种不同的形态,不限于在此说明的实施例。在附图中为了对本发明进行清楚地说明,省略了与说明内容无关的部分。
<实施例1>
参照图1至图3,本发明的一实施例的压电元件100具备:压电陶瓷部10;位于压电陶瓷部10上的第一电极21;在压电陶瓷部10上,与第一电极21隔开而配置的第二电极22;位于第一电极21上的保护膜30;以及位于第一电极21与保护膜30之间的粘结剂40。
根据所施加的电压而发生振动的压电陶瓷部10由压电性(piezo-electricity)优异的钛酸锆石酸铅(Pb(Zr,Ti)O3:PZT)系物质形成。压电陶瓷部10的物质不限于此,可由具备压电性的其他物质形成。
利用固态反应法(solid state reaction)等来形成这样的压电陶瓷部10。固态反应法是利用干式成型法等而将粉末的原料成型为盘形态这样的所希望的形状,然后在约1100℃至1300℃的温度下烧制约30分钟至3小时而成。
压电陶瓷部10的直径可以是约15mm至25mm,但也可根据要产生的超声波的能量和频率而变更压电陶瓷部10的直径和厚度。
在本实施例的压电陶瓷部10使用在超声波加湿装置的情况下,压电陶瓷部10具备约1.5MHz至1.7MHz的共振频率,为具备这样的共振频率,压电陶瓷部10的厚度为约1.2mm至1.4mm程度。
当通过第一及第二电极21,22而从共振电路施加到与压电陶瓷部10的共振频率一致的信号时,在压电陶瓷部10发生共振,从压电元件100的表面发散超声波能源,从而根据施加到水分子的冲击,水分子以微细的粒子进行喷雾(mist)。
第一电极21作为与水接触的面的电极,如果用来与发振电路部连接的焊接部位于与水接触的面,则存在放水和腐蚀等的问题,因此如图2所示,在侧面连接而在与第二电极22相同的面延伸而形成。在图2中形成‘D'形状,但不限于此,与相邻的第二电极22分离且与焊接部接合的面积。
如图2所示,位于压电陶瓷部10的后面的第二电极22在压力陶瓷部10的后面的一部分,例如,在后面的中间部分与第一电极21分离而配置,并且从外部接收与施加到第一电极21的电压不同极性的电压。
第一及第二电极21,22主要通过银烧制法而形成。银烧制法是,通过丝网印刷方法而在压电陶瓷10的两面涂抹规定的厚度的银焊膏,并进行热处理而粘贴的方法。
所述保护膜30形成在第一电极21和第二电极22中的、与水等这样的导致电极的腐蚀的外部物质相接的电极(在本实施例的情况下,第一电极21)上,从而保护电极21不受外部物质的破坏。
所述保护膜30作为由热稳定性、耐电压特性、耐化学性及耐久性优异的高分子物质构成的高分子层,从而保护第一电极21不受由与电极直接接触的外部物质导致的电气-化学腐蚀或机械磨损。
所述保护膜30由聚酰亚胺(polyimid)或特氟龙(teflon)等高分子物质形成,考虑机械磨损和耐腐蚀性,优选形成为至少1μm的厚度,考虑超声波能源衰减等,形成为200μm以下的厚度。在考虑衰减的情况下,厚度优选为超声波波长的1/4以内。
所述粘结剂40是为了粘贴并固定保护膜而追加在第一电极21与保护膜30之间而使用。关于粘结剂40物质,优选为衰减少的物质,可以是作为环氧(epoxy)树脂系列的热硬化性树脂或紫外线(UV,ultraviolet)硬化性树脂。粘结剂40的厚度可以是约1μm至50μm的厚度。
在本实施例中,为了将保护膜30配置在第一电极21上而使用了粘结剂40,但与此不同地,可在替代例中省略粘结剂40。在该情况下,利用旋涂法(spin coating)等而形成保护膜30。即,将液体状态的聚酰亚胺或特氟龙这样的高分子物质涂布在第一电极21的所希望的部分之后进行干燥,从而能够直接将具备所希望的厚度的保护膜30配置在第一电极21上。
在将具备本发明的实施例的结构的压电元件100安装在超声波加湿器时,其动作如下。
首先,在以保护膜30与水接触的方式将压电元件100安装到加湿器内之后,用橡胶等来保护压电元件100的边缘部分。由此,对第二电极22所在的压电陶瓷部10的后面和侧面进行保护,以使其不受水的干扰,并且位于压电陶瓷部10的前面的保护膜30与盛在水槽内的水接触。
然后,当通过第一及第二电极21,22而向压电陶瓷部10施加了具备彼此不同的极性的电压时,根据电气-机械共振现象而产生超声波并散发到压电陶瓷部10的外部。
这样的超声波通过第一电极21和保护膜30而在水槽内的水中发生振动。此时,当随着水分子通过由超声波引起的振动而相互碰撞,在水分子之间传递振动,通过超声波产生的振动传递到水的表面为止时,位于水的表面的水粒子以微细的颗粒状态蹦出到水表面上,由此保湿喷雾(mist)飞散到大气中。
所述保护膜30防止由于在如上述的振动过程中发生的空穴(cavitation)现象而产生的电极的剥离现象,防止由侵蚀作用导致的腐蚀,增加压电元件100的寿命。
<实施例2>
图4至图10是本发明的一实施例的压电元件100的制造方法。图4表示形成压电陶瓷部10的过程,将原料粉末加压成型而成型为盘形态。
原料粉末作为钛酸锆石酸铅(PZT)系物质,将PbO、ZrO2、TiO2、TiO2、Mn2O3、Sb2O3、或NiO等的氧化物按照预定的配合比来混合。此时,为了提高烧结性,并提高品质系数,添加约0.1重量百分比至20重量百分比的Nb2O5和MnO2这样的添加剂。
在约1100℃至1300℃的温度下,对成型体进行约30分钟至3小时的烧结。
然后,如图    5    至图    8    图示,通过网版印刷法(screenprinting),在压电陶瓷部10的前面、侧面及后面的相应位置涂敷银焊膏(Agpaste)这样的导电性焊膏(conductive paste),然后进行干燥,从而形成第一电极211及第二电极221图案。
将干燥的第一及第二电极221,222在约700℃至800℃的温度下进行约10分钟的热处理,然后在压电陶瓷部10粘贴第一电极21和第二电极22(图9)。
然后,将具备第一及第二电极21,22的压电陶瓷部10浸泡到110至120℃的硅油(silicon oil)中,然后向第一电极21和第二电极22施加约10分钟的约2kV/mm至3kV/mm的电压,并且为表现压电陶瓷部10的压电效果而进行分极(poling)处理。
然后,如图10所示,在由高分子物质构成的保护薄膜31的一面涂布环氧树脂系列的粘结剂40,然后将涂布有粘结剂40的保护薄膜31以与第一电极21的前面的大小和形状匹配的方式切割之后配置在第一电极21的前面上,然后加压的同时进行热处理而形成保护膜30。此时,所切割的保护薄膜31的形状和大小根据用于配置保护薄膜31的第一电极21部分的形状和大小而不同,并粘贴在与保护薄膜31相接的第一电极21的面的全部或一部分上。
在使用粘结剂40已被粘贴在所希望的表面的保护薄膜31的情况下,可省略在保护薄膜31上粘贴粘结剂40的步骤。
保护薄膜31由聚酰亚胺或特氟龙构成,形成为约1μm至200μm的厚度,粘结剂40形成为约1μm至50μm的厚度。
为加压而施加在保护薄膜31上的压力为约1MPa程度,为进行保护薄膜31与第一电极21之间的粘贴而硬化粘结剂40的热处理工序是在约80℃至200℃的温度下进行约10分钟至2小时。
用于形成保护膜30的保护薄膜31的耐化学性和耐热性优异,并且根据温度变化而产生的特性变化少,电绝缘特性优异。另外,弯曲性优异,因此具有容易成型为所希望的形状,并容易配置到所希望的位置的特性。
作为形成保护膜的另一实施例,可以使用在高分子薄膜形成有粘接剂的粘接带而进行粘贴。高分子薄膜由涤纶或赛璐珞形成,作为粘接剂有热熔胶(hotmelt)等。
可将液态的高分子通过喷涂(spray coating)、旋涂(spin coating)、丝网印刷(screenprinting)而涂布到电极上,由此形成保护膜。
保护膜的另一形成方法为在腔室中将高分子气化并沉积而形成。
<实验例1>
然后,对实验例1进行说明,在实验例1中对本发明的实施例的压电元件100与比较例的压电元件之间的性能进行实验,并记载了其结果。
在本实验例1中,将实施例和比较例的压电元件安装在相同的超声波加湿器,每小时利用加湿器的喷雾量而对实施例和比较例的压电元件的性能进行了比较。
关于用于驱动加湿器的电压,使用了比为了进行加湿实验而一般用来驱动加湿器的电压(例如,约38V)高的电压,例如约60V,作为喷雾物质使用了自来水。
实施例和比较例的压电元件除了保护膜的材料之外具备相同的结构。例如,在实施例的情况下,保护膜由高分子物质中的聚酰亚胺构成,比较例1的保护膜由不锈钢构成,比较例2的保护膜由TiN构成,比较例2的保护膜是利用了Ni的镀金膜。此时,在实施例和第一至第三比较例中使用的加湿器的驱动时间为1,000小时。
然后,[表1]表示实施例和比较例1至3的实验结果。
[表1]
在[表1]中,初始状态是在驱动安装了实施例和比较例1至3的压电元件的加湿器之后,通过压电元件的动作,加湿器的喷雾动作为正常的状态,初始状态的喷雾量是此时检测的加湿器的喷雾量。
参照[表1],在驱动加湿器之前,比较例1至3及实施例的每小时喷雾的量均为每小时400cc/hr。在驱动了500小时的加湿器的情况下,在比较例1的情况下,每小时的喷雾量为380cc/hr,在比较例2的情况下,每小时的喷雾量为370cc/hr,在比较例3的情况下,每小时的喷雾量为150cc/hr。从而可知,在比较例1至比较例3的情况下,经过500小时之后,从加湿器喷雾的喷雾量减少,但是在实施例的情况下,加湿器的喷雾量没有变化。
参照[表1],比较例1的喷雾量与初始状态相比减少了约5%,在比较例2的情况下,与初始状态相比,减少了约8%。另外,在比较例3的情况下,与初始状态相比,减少了约62%。
但是,在实施例的情况下,由耐化学性和耐久性优异的聚酰亚胺来构成保护膜,即便在加湿器的驱动时间为500小时的情况下,在保护膜上也未发生腐蚀现象,加湿器的喷雾性能与初始状态相比没有变化。
另外,参照[表1],在加湿器的驱动时间为1,000小时的情况下,在比较例1的情况下,每小时的喷雾量为300cc/hr,在比较例2的情况下,每小时的喷雾量为320cc/hr,在比较例3的情况下,加湿器的驱动被停止。在实施例的情况下,每小时的喷雾量为390cc/hr。
在将加湿器驱动1,000小时的情况下,比较例1至比较例3的每小时的喷雾量分别与初始状态相比,明显减少了25%、20%及100%。但是,在实施例的情况下,喷雾量变化与初始状态相比,仅显示出2.5%的减少量,可知与比较例1至比较例3相比,具备更良好的喷雾性能。
<实验例2>
实验例2作为使用了腐蚀性强的喷雾物质的性能比较例,使用了上述记载的实施例的压电元件和比较例2的压电元件,将这些压电元件安装到相同的加湿器之后进行了实验,用于进行实验的加湿器的驱动时间为200小时。
在本实验例2的情况下,作为喷雾物质使用了比自来水腐蚀性强的酸性溶液即氨基磺酸(H2NSO3H),作为加湿器的驱动电压使用了如实验例1的60V。本实验中所使用的氨基磺酸在蒸馏水中熔化氨基磺酸而具备1M的氨基磺酸的浓度。
在[表2]中,初始状态是与实验例1相同地,在驱动安装了实施例和比较例2的压电元件的加湿器之后,通过压电元件的动作,加湿器的喷雾动作为正常的状态,初始状态的喷雾量是此时检测的加湿器的喷雾量。
与[表1]的情况相同地参照[表2]可知,在驱动加湿器之前,实施例和比较例2的每小时喷雾的量均为每小时400cc/hr。
[表2]
在驱动了100小时的加湿器的情况下,在比较例2的情况下,每小时的喷雾量为200cc/hr,在实施例的情况下,每小时的喷雾量为390cc/hr,在加湿器的驱动时间为200小时的情况下,在比较例2的情况下,加湿器的动作被停止,但在实施例的情况下,加湿器的喷雾量为每小时370cc/hr,与初始状态相比,虽然减少了约7.5%,但仍然正常地进行加湿器的动作。由此可知,在利用容易发生腐蚀的酸性溶液来实验压电元件的性能的情况下,实施例与比较例2的情况相比,压电元件的性能更加优异。
由此可知,不仅对水,而且对酸性溶液,通过由耐化学性和耐久性优异的高分子物质构成的保护膜而对第一电极和位于其下部的压电陶瓷部进行保护,由此压电元件的寿命被延长。
以上,对本发明的实施例进行了详细说明,但本发明的权利范围不限于此,本领域技术人员利用由下述的权利要求书定义的本发明的基本概念而进行的各种变形及改良形态也属于本发明的权利范围。
产业上的利用可能性
在本发明的包括保护膜的压电元件中,其耐久性和耐腐蚀性得到提高,因此可作为超声波加湿器的振子而使用,并且在腐蚀性强的化学工序中可作为超声波清洁机而使用。

Claims (11)

1.一种压电振子,其特征在于,该压电振子包括:
盘形的压电体,其将电信号转换为机械振动;
电极,其为施加电信号而形成在所述压电体的两面上;以及
保护膜,其由高分子物质来保护所述电极的两面中的至少一面。
2.根据权利要求1所述的压电振子,其特征在于,
所述压电振子在与液体接触的面上形成所述保护膜。
3.根据权利要求1所述的压电振子,其特征在于,
所述保护膜是高分子薄膜。
4.根据权利要求1或3所述的压电振子,其特征在于,
所述高分子物质是聚酰亚胺或特氟龙。
5.根据权利要求1或3所述的压电振子,其特征在于,
在所述电极与保护膜之间还包含粘结剂层。
6.根据权利要求5所述的压电振子,其特征在于,
所述粘结剂是环氧树脂。
7.一种压电振子的保护膜形成方法,其特征在于,该方法包括:
准备将电信号转换为机械振动的盘形的压电体的步骤;
在所述压电体的两面形成电极的步骤;以及
形成由高分子物质来保护所述电极的至少一面的保护膜的步骤。
8.根据权利要求7所述的压电振子的保护膜形成方法,其特征在于,将高分子薄膜按照电极的形状切割并粘贴而形成所述保护膜。
9.根据权利要求8所述的压电振子的保护膜形成方法,其特征在于,使用粘结剂而在所述电极上粘贴保护膜。
10.根据权利要求7所述的压电振子的保护膜形成方法,其特征在于,使用粘贴了粘接剂的粘接带而形成所述保护膜。
11.根据权利要求7所述的压电振子的保护膜形成方法,其特征在于,由液态的高分子形成所述保护膜。
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