CN1270705A - 压电元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电元件(1),它由一个第一和第二堆垛(3、4)和一个安置在所述第一和第二堆垛(3、4)之间的中间层组成,所述堆垛包含大量压电陶瓷层(6)。该中间层构造成一个由一种纤维组合材料或玻璃制成的支撑体(9)。该多层压电元件(1)具有高的效率和高的机械稳定性,并可在低电压下工作。

Description

压电元件
本发明涉及一种压电元件，它由一个第一堆垛、一个第二堆垛和一个安置在第一堆垛和第二堆垛之间的中间层组成，所述堆垛由大量压电陶瓷层堆叠形成，其中，各电极安置在各堆垛内各陶瓷层之间和限制堆垛的陶瓷层的外侧上。
一种这样的压电元件由德国专利DE 35 18 055 A1和DE 34 34 726 C2公知。为了操作该压电元件，向所述电极施加一个电压，使得所述第一堆垛的压电陶瓷层分别伸长，而所述第二堆垛的压电陶瓷层收缩，或者相反。这就导致压电元件弯曲，这种弯曲用于操作一个机械开关或一个电气开关。安置在两个堆垛之间的中间层同样是陶瓷层，然而其本身没有主动运动。此外，中间层的陶瓷或者没有极化，因而在压电方面不是激活的，或者在控制所述压电元件时该中间层不承受电场。该中间层用于平衡所述两个堆垛的相反运动，因而提高了所述压电元件的寿命。
由大量上下堆叠的陶瓷层组成的压电元件也称作所谓的多层(multimorphes)压电元件。与此相反，由唯一一个连贯的陶瓷层组成堆垛的压电元件称作双层或三层压电元件，这要根据在两层陶瓷层之间是否设置一个中间层而定。与双层或三层压电元件相比，多层压电元件的优点是，施加较低的电压就可得到相同的机械能。其原因是，多层压电元件中各陶瓷层的厚度远远小于双层或三层压电元件中陶瓷层的厚度，因此在相同的电压下，根据公式E＝U/d(式中，E为电场强度，U为施加电压，d为陶瓷层厚度)，电场强度更高。
此外，由日本专利JP 60-178677 A2公知一种多层压电元件，其中，中间层的材料与陶瓷层的材料不同。
然而，多层压电元件的缺点是，由于有许多较薄的上下堆叠的陶瓷单层，其易断裂且机械稳定性相对较低。因此在负荷作用下，各单层常常相互偏移。此外，与双层或三层压电元件相比，多层压电元件的效率较低。多层压电元件的制造成本也更高。
由于上述原因，至今为止在技术应用中主要采用双层或三层压电元件，虽然多层压电元件可在更低的电压下工作。压电元件的技术应用例如有用作喷墨打印机的压电压力测头，用作麦克风或扩音器的拾音器或音频发生器，用作测速计或测压计的传感器，用作煤气表的测量值记录器，尤其用作弯曲变换器，例如用作在布莱叶盲字行、盲人阅读器、纺织机、气动阀、书写式测量仪或在非接触式表面测量仪等中的调节元件。在此，低的工作电压使得所述压电元件也可应用在有爆炸危险的场所，例如用在化学工业或采矿工业中。
因此，本发明的目的在于提供一种多层压电元件，它与双层或三层压电元件相比具有工作电压较低这一优点，尤其是采用本发明的压电元件可克服所述现有技术中的缺点。
为了实现本发明目的，提供了一种压电元件，它由一个第一堆垛、一个第二堆垛和一个安置在第一堆垛和第二堆垛之间的中间层组成，所述堆垛由大量压电陶瓷层堆叠形成，其中，各电极安置在各堆垛内各陶瓷层之间和限制堆垛的陶瓷层的外侧上；其中，中间层的材料与陶瓷层的材料不同，其中，根据本发明，该中间层构造成一个由一种纤维复合材料或玻璃制成的支撑体。
通过将该中间层构造成一个由一种纤维复合材料或玻璃制成的支撑体，就创制了一种由一种复合材料制成的多层压电元件。与不考虑电极纯陶瓷的多层压电元件相比，本发明的压电元件具有高得多的机械稳定性。一种这样的中间层不仅用于平衡电压，而且附加地起到承载和支承整个压电元件的作用。
通过将一个由一种纤维复合材料或玻璃制成的支撑体用于一个多层压电元件，附加地改善了从电能转换成机械能的效率。通过用这样一种支撑体来替换多层压电元件的一部分陶瓷材料，压电元件的易断裂性大大降低，这尤其在安装或工作时提供了不可估量的优点。此外，采用这种方式节约了制造成本，因为压电陶瓷材料，尤其是多层压电元件的多层材料是相对较贵的。
本发明创造了一种多层压电元件，它可用低的电压来控制；具有高的效率：在具有高机械稳定性的同时还具有低的易断裂性；由于效率得到改善，与可比较的纯陶瓷多层压电元件相比，采用较少的相对较贵的陶瓷多层材料。在此，陶瓷多层材料是指这么一种材料，它由上下堆叠的陶瓷层(极化的或非极化的)和设置在陶瓷层之间的电极(例如为一种金属化)组合而成。
为在节约陶瓷多层材料的同时提高压电元件的机械稳定性和效率，选择支撑体的厚度大于在一个堆垛内或在所述陶瓷多层材料内各单层陶瓷层的厚度。在此，如果支撑体的厚度基本上等于堆垛的厚度的话，那么尤其可以使得所述压电元件具有优异的性能。因此，尤其与一种纯陶瓷多层压电元件相比，因为节省陶瓷多层材料，可以节省高达三分之一的材料成本。
在制造时，采用一种所谓的半固化材料(一种尚未硬化的软的预注原料)作为纤维复合材料。在制造时，简单地按顺序地上下松散堆叠第一堆垛，为半固化材料形式的支撑体和第二堆垛，接着施加压力压紧，通过热处理在半固化材料硬化条件下相互粘贴在一起。
在本发明的另一有利设计中，所述纤维复合材料为一种用碳纤维或玻璃纤维强化的环氧树脂。这就提高了机械稳定性和抗破损强度。
如果所述支撑体由玻璃制成，那么由压电陶瓷层或陶瓷多层材料制成的两个堆垛就通过一种合适的粘合剂与该支撑体粘合在一起。
为了使该压电元件可以低的工作电压工作并具有高效率，陶瓷层的厚度分别在20和40μm之间以及支撑体的厚度在100和1000μm之间是相宜的。对这样厚度的各陶瓷层而言，运行电压在20至80V之间就足以产生大于1kV/mm的电场强度。为了在将所述压电元件用作调节元件或弯曲元件时保持一个足够大的调节力或弯曲力，电场强度有必要高于1kV/mm。
从原理上看，所述多层压电元件可以按两种方案受控制。在第一种方案中，一个堆垛内的所有陶瓷层都相互平行，并沿堆叠方向极化。运例如通过施加一个强度为几kV/mm的定向均匀电场来实现。控制这样一种压电元件的方法是，在一个堆垛内从电极到电极所施加的电压降低或增加相同的量。这样，一个堆垛内的各压电陶瓷层就具有相同的电场，但处于不同的水平上。因此，一个堆垛内的所有受控压电陶瓷层都进行相同的运动，即或者收缩，或者伸长。为了使所述压电元件弯曲，设定一个堆垛的陶瓷层收缩，而另一堆垛的陶瓷层伸长，或者仅仅控制一个堆垛，而另一堆垛的陶瓷层不运动。
最后一个优点是，所述压电陶瓷层不必与其极化方向相反来承受电场。所以在电压与极化方向相反时，可以仅仅施加一个最大能产生矫顽电场强度一半的电压，如果不这样，所述压电陶瓷会去极化，运就会降低压电效应。然而，在这种控制中，与在一个堆垛内陶瓷层数量相对应，施加在各陶瓷层上的电压叠加到一个可观的总电压。此外，一个堆垛内的各电极必须分别接触，因为每个电极都处于另一电位上。
因此优选采用第二种控制方案，为此，一个堆垛内的相邻陶瓷层以相反的、但同样并行于堆叠方向的方向进行极化。为了控制这样一种多层压电元件，在相邻陶瓷层的电极上施加等电压的、但有不同极性的电位。这样，相邻陶瓷层就被施加了一个大小相等、方向不同的电场。因此从堆垛方向看，每隔一个电极，电极就处于相同的电位上。因此，相宜地将每个堆垛的电极分成电气相连的第一组电极和第二组电极，并使得相邻电极分别属于不同的电极组。然后，为了控制，第一组电气相连的电极与一个电源的某一极相连接，第二组电气相连的电极与该电源的另一极相连接。在此，电源仅需提供一个相对较低的电压，它足够与各陶瓷层的厚度相对应产生一个为进行控制所必需的电场。正如已提及的那样，在陶瓷层的厚度为20至40μm时，该电压值约为20至80V。
在本发明的一个有利设计中，一个堆垛内的第一组电极和第二组电极分别通过第一边缘电极或分别通过第二边缘电极相互电接触，其中，第一边缘电极和第二边缘电极安置在各自堆垛的相对侧面上；其中，第一组电极和第二组电极分别与第二边缘电极或第一边缘电极电隔离。这样一种堆垛的电极在垂直于堆叠方向的截面上象两个相互镶嵌的梳子一样。在这种情况下，尤其有利的是，一个堆垛的压电陶瓷层的数目为奇数。所以用这种方式，两个处于外侧的堆垛电极就属于两个不同的电极组，因此，这样一种由压电陶瓷层组成的堆垛通过在外侧电极上施加一个电压，就可以与一个同样具有外侧电极及相同厚度的整体式压电陶瓷一样的方式被激活。然而，激活所述整体式压电陶瓷所需的工作电压为激活所述堆垛所需工作电压的数倍。
为了使这样一种压电元件接触，其中，堆垛分别由奇数层压电陶瓷层构造，各电极以所述的方式组合在一起，相宜地配设三个电触点。在此，第一堆垛的外侧电极具有第一电触点，第二堆垛的外侧电极具有第二电触点，在第一堆垛或第二堆垛直接座落在支撑体上的两个内部电极具有一个共用的第三电触点。该共用的第三触点例如设置在所述支撑体本体上，如果该支撑体是导电的话。否则，在所述支撑体上敷设导电层。为了与电源相连接，相应的连接电缆通过所述各触点与所述压电元件相连接。此外，各触点例如由一种可钎焊的材料制成。
为了控制，第一触点和第二触点与直流电源的相反极相连接。所述为内部电极所共用的触点通过一个可控电源交替地施加两个极的一个电位和另一电位。在此，尤其在第一触点和第二触点接通时应注意，在各压电陶瓷层内形成的电场指向极化方向。在这样一种控利中，仅有一个堆垛施加电压，并因而被激活。另一堆垛保持为非激活态。与施加在第三触点上的电压相对应，压电元件一会儿向某个方向弯曲，一会儿向另一方向弯曲。在此，各压电陶瓷层在激活时总是具有朝极化方向的电场。从而确切无疑地避免压电元件去激活。
为了特别良好地将电能转换为机械能，有利的是，支撑体的面积大于所述堆垛的支承面积，因此支撑体的自由部分从所述堆垛中伸出。用这种方式，通过所述支撑体的杠杆效应可增大压电元件的调节行程或偏转行程。
用于共同接触第一堆垛或第二堆垛的内部电极的第三触点有利地通过一种至少部分地安装在支撑体的自由部分上的金属箔来实现，尤其通过一种铜箔来实现，该铜箔适于设置钎焊触点。在此，在支撑体本身导电时或者在电绝缘支撑体敷设有一层导电涂层时，该金属箔仅仅安置在支撑体的自由端上，或者在支撑体为电绝缘体时，该金属箔部分地安置在支撑体和堆垛的相应内部电极之间。
下面借助附图对本发明的实施例作进一步说明，附图中：
图1示出一种多层压电元件的剖面图，该压电元件被构造成弯曲变换器，并带有一个支撑体；
图2为图1所示剖面的局部放大视图，其中为支撑体敷设一导电层。
图1示出一种压电元件的剖面图1，该压电元件1被构造成弯曲变换器，并带有一个第一堆垛3和一个第二堆垛4，这两个堆垛3、4分别由多层堆叠的陶瓷层6以及设置在各陶瓷层之间和边界外侧上的电极7组成。这两个堆垛3、4安装在一个支撑体9的两侧，该支撑体9由一种由碳纤维强化的环氧树脂组成，因而是导电的。支撑体9的面积比两个堆垛3、4的支承面积大，因此支撑体9的自由部分10从堆垛3、4中伸出。支撑体9的自由部分10固定在一个图中示意性示出的固着装置11中。将支撑体9的由所述堆垛包围的部分固定在固着装置11中同样是可能的。
为了使压电元件1电接触，在支撑体9自由端10的两侧安设铜箔12、13。在此，铜箔12、13或粘贴在支撑体9上，或在支撑体9的环氧树脂硬化过程中与其结合。通过这两层铜箔12、13，支撑体9借助两个钎焊触点14、15通过连接线17与一个可接在一个直流电源的正和负电位上的接线柱18相连接。此外，第一堆垛3的外侧电极通过一个钎焊触点20与所述直流电源的正极23相连接，第二堆垛4的外侧电极通过另一个钎焊触点22与所述直流电源的负极24相连接。
图2详细示出在堆垛3、4内的电极7的布置。在这样一种线路布置中，电极7沿堆垛方向交替地单独通过各自的外侧电极与所述直流电源的正极23或负极24相连接，和单独通过支撑体9与所述直流电源的可接通接线柱18相连接。如果该可接通的接线柱18处于正极23的电位上，那么在第二堆垛4的陶瓷层6内产生一个电场，与此相反，在第一堆垛3的陶瓷层6内则不出现电场。这种在图2中详细示出的上下布置的陶瓷层的相反极性使得在第二堆垛4内的全部陶瓷层6收缩；所述弯曲变换器的自由端25沿标出的箭头方向向下运动。与此相对应，如果所述直流电源的可接通接线柱18处于负极24的电位上，那么压电元件1的自由端25沿标出的箭头方向向上运动。
图2为局部放大视图，详细示出图1所示压电元件1的结构。然而在该结构中，支撑体9不是如图1所示由一种由碳纤维强化的环氧树脂制成，而是由一种由玻璃纤维强化的环氧树脂制成，因而是不导电的。为清晰起见，图2中没有示出第二堆垛4。然而第二堆垛4构造方式与示出的第一堆垛3相同。
在图2所示的压电元件1中，第一堆垛4的电极7和以同样方式构造的第二堆垛4的电极被分成第一组电极28和第二组电极30，它们分别电连接。在此，第一组电极28借助一个安置在第一堆垛3的一个端部上的第一边缘电极31相互电连接，第二组电极30通过一个安置在第一堆垛3的另一端部上的第二边缘电极32相互电连接。在此，两个边缘电极31、32为一种金属化形式，被安置到堆垛3和未示出的堆垛4的端部。第一组电极28与第二边缘电极32电隔离，因为边缘电极32的长度比堆垛3的长度短，因此在第二边缘电极32和第一组电极28之间分别有一个间隙33存在。同样对于第二组电极30也如此，在第一边缘电极31和第二组电极之间分别有一个间隙34。在各电极7之间分别设置陶瓷层6，其中，相邻陶瓷层6具有相反的极性，如图2中箭头方向所示。每个堆垛3、4的陶瓷层6的数目都是奇数。在所示情况下，各堆垛都包含七层陶瓷层。
以所示方式方法将上下堆叠的压电陶瓷层构建成堆垛3、4，使得可以象对待一个带有外置电极的单个压电陶瓷层一样的方式和方法来控制该堆垛3，4。所以，如果一个堆垛3、4的两个外侧电极上施加一个电压，那么在各陶瓷层6内产生电场，其中，相邻陶瓷层的电场分别有相反的方向。因为相邻陶瓷层的极性方向也相反，因此一个堆垛的各陶瓷层6可用相同方式控制。在此，电场方向与极性方向相同。
对图2所示压电元件1而言，属于支撑体9的第一堆垛3(对没有示出的第二堆垛4也相同)的内电极的接触通过一个附加的搁置在支撑体9上的导电层36得以确保。在该导电层36上，在支撑体9自由部分10上设置一层铜箔12，它通过钎焊触点14与所述直流电源的可接通接线柱18相连接。
如果所述直流电源的可接通接线柱18被施加所述负极的电位，那么第一组电极28都与所述负极相接触。第二组电极30通过所述外侧电极借助钎焊触点20与所述直流电源的正极23相连接。用这种方式，在每一陶瓷层6内都会产生方向和极化方向相同的电场(参看所示箭头)。与此相对应，第一堆垛3的所有电极6垂直于电场方向收缩，也就是说，第一堆垛3沿支撑体9的方向缩短。因而支撑体9向上弯曲。

Claims (10)

1.一种压电元件(1)，它由一个第一和第二堆垛(3、4)和一个安置在第一和第二堆垛(3、4)之间的中间层组成，所述堆垛包含大量压电陶瓷层(6)，其中，各电极(7)安置在各堆垛内各陶瓷层(6)之间和限制堆垛(3、4)的陶瓷层(6)的外侧上，其中，中间层的材料与陶瓷层(6)的材料不同，其特征在于：该中间层构造成一个由一种纤维复合材料或玻璃制成的支撑体(9)。
2.根据权利要求1所述的压电元件(1)，其特征在于：支撑体(9)的厚度大于各单层陶瓷层(6)的厚度。
3.根据权利要求2所述的压电元件(1)，其特征在于：所述纤维复合材料为一种用碳纤维或玻璃纤维强化的环氧树脂。
4.根据上述任一项权利要求所述的压电元件(1)，其特征在于：陶瓷层(6)的厚度分别在20和40μm之间，支撑体(9)的厚度在100和1000μm之间。
5.根据上述任一项权利要求所述的压电元件(1)，其特征在于：各堆垛(3、4)内的各电极(7)分别被分成电气相连的第一组(28)电极(7)和第二组(30)电极(7)；相邻电极分别属于另一组；相邻陶瓷层(6)具有相反的极化方向(38)，而极化方向平行于堆叠方向。
6.根据权利要求5所述的压电元件(1)，其特征在于：一个堆垛(3、4)内的第一组(28)和第二组(30)电极(7)分别通过第一边缘电极(31)或分别通过第二边缘电极(32)相互电接触，其中，第一边缘电极(31)和第二边缘电极(32)安置在各自堆垛(3、4)的相对侧面上，第一组(28)和第二组(30)的电极(7)分别与第二边缘电极(32)或第一边缘电极(31)电隔离。
7.根据权利要求6所述的压电元件(1)，其特征在于：一个堆垛(3、4)的第一组(28)和第二组(30)电极(7)在朝第二边缘电极(32)或第一边缘电极(31)的方向被缩短，以便电隔离。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的压电元件(1)，其特征在于：每个堆垛(3、4)包含的陶瓷层(6)数目都为奇数；在设置于第一堆垛(3)外侧上的电极上设置第一电触点(20)，在设置于第二堆垛(4)外侧上的电极上设置第二电触点(22)，在直接座落在支撑体(9)上的电极上设置一个共用的第三电触点(14、15)，其中，第一触点(20)和第二触点(22)分别与第二组(30)电极电接触，第三触点(14、15)与第一组(28)电极电接触。
9.根据上述任一项权利要求所述的压电元件(1)，其特征在于：支撑体(9)的面积大于堆垛(3、4)的支承面积，因此支撑体(9)的自由部分(10)从堆垛(3、4)中伸出。
10.根据权利要求9所述的压电元件(1)，其特征在于：设置在支撑体(9)和堆垛(3、4)之间的电极通过一种至少部分地安装在支撑体(9)的自由部分(10)上的金属箔实现接触，尤其通过一种铜箔(12、13)实现接触，该铜箔适于设置钎焊触点(14、15)。
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