CN1435899A - 叠层式压电致动器 - Google Patents
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Abstract
一种叠层式压电致动器，包括若干压电板和由电极材料组成的内电极层。压电板和同电极层交替叠加。电极材料包括一种金属组分和一种导电氧化物。当将氧离子作为载体工作的导电氧化物加到电极材料中时，氧从内电极层供给到正工作的压电板中。结果，阻止压电板品质变差。
Description
发明领域
本发明涉及一种叠层式压电致动器。
背景技术
通常，叠层式压电致动器已用于操纵各种仪器，如：电控悬挂装置，的活动部分的致动器。叠层式压电致动器通过施加电压移动。叠层式压电致动器用下述方法结合成整体。薄板坯(green sheet)由这样的原料制成，其中锆钛酸铅(亦即，PZT)粉末与有机粘结剂、增塑剂、有机溶剂、或类似原料混合。PZT粉用作压电材料。然后，将薄板坯的表面涂覆一种导电浆料。将多块涂层的薄板坯层压，然后在预定的温度下煅烧。这样，使叠层式压电致动器成为整体，其中压电板和内电极层交替式叠加。当电力加到内电极层上时，压电板就在轴向方向上延伸，以便作为一个致动器工作。因此，能够预期一种十分准确的加电压-位移特性。
在通过施加强电场产生位移的致动器中，压电特性可靠是非常重要的。在主要是由PZT组成的常规叠层式致动器中存在一个问题，当它们经过预先用一电场进行极化处理之后通过重复施加电场工作时，一些压电特性如压电常数和位移已随着施加电场次数的增加而变差。人们认为缺点是这样的，即：经过极化处理的压电板中各组成元素的浓度分布，尤其是，位于正电极侧的氧元素的局部化因重复施加强电场而被解除(Journal of theCeramic Society of Japan 107[9] pp.827-831)。
发明概述
本发明正是由于存在这一问题而研究出来的。因此，本发明的目的是提供这样一种叠层式压电致动器，当其通过重复施加电场工作时，其压电特性较少变差，亦即，其加电压-位移特性可以被保持得十分准确。
根据本发明的叠层式压电致动器包括：压电板；由电极材料组成的内电极层；压电板和内电极层交替式叠加；电极材料包括一种金属组分和一种导电氧化物。应当注意，导电氧化物自然不仅可以是简单的氧化物，而且可以是复合氧化物。当导电氧化物，其中氧离子被作为载体，被加到电极材料中时，氧从内电极层被提供给正工作的压电板中。结果，阻止了压电板性能变差。
在根据本发明的叠层式压电致动器中，将其中氧离子作为载体的导电氧化物加到内电极层的电极材料中。因此，即使当把强电场重复加到本发明的叠层式压电致动器上时，也能抑止压电板的压电特性性能变差，上述压电板包括一种PZT复合氧化物。从而，能够保持作为叠层式压电致动器的可靠性。优点是这样产生的，即伴随着重复操作，加到内电极层中的导电氧化物向压电板的内部提供氧。结果，能够抑制由于重复操作而引起的氧浓度降低。
附图简述
通过附图及说明书的详细描述，可以更好地理解本发明及其优点，所有附图都构成公开内容的一部分：
图1示出了本发明的叠层式压电致动器外形；
图2示出了正电极附近氧浓度的变化，变化取决于在耐久试验中重复施加电场的次数，其中空白圆形“○”表示由一个实施例所显示的氧浓度，而空白正方形“□”表示由一个比较例所显示的氧浓度；和
图3示出了吸持位移(stuck displacements)的变化，吸持位移的变化取决于在耐久试验中重复施加电场的次数，其中空白圆形“○”表示由一个实施例所显示的吸持位移，而空白正方形“□”表示由一个比较例所显示的吸持位移。
优选实施例详细说明
一般描述了本发明之后，参照特定的优选实施例可以更进一步的了解本发明，这些优选实施例在此处仅是用于举例说明的目的，而不是打算限制所附权利要求的范围。
图1示出根据本发明的一种叠层式压电致动器装置。例如，本叠层式压电致动器包括压电板2，内电极层3，导体板4，引线5，和绝缘体6。这样配置的叠层式压电组件1通过施加高压经受极化处理，并由此制成本发明叠层式压电致动器。
压电板可以用薄板成形法通过从原料形成薄板坯得到。将有机粘结剂、增塑剂、有机溶剂等适当地加入并与PZT粉混合来制备原料。PZT粉包括Pb(Zr，Ti)O3或PbZrO3和PbTiO3的固溶体。薄板坯的尺寸取决于本叠层式压电致动器的用途。然而，合适的薄板坯厚度在20-500μm的范围内。
内电极层的电极材料包括一种金属组分和一种导电氧化物。金属组分理想地包括至少一种选自Ag，Pd，Pt，Rh，Al，Ni和Cu的元素。导电氧化物优选地可以是至少一种从各种氧化物或可能释放氧化物的复合氧合物中选定的氧化物成员。例如，导电氧化物可以是至少一种选自IrO2，OsO2，RhO2，PtO2，MoO2，WO2，LaO2和SnO2的金红石型晶体结构氧化物。另外，导电氧化物可以是至少一种选自SnO2，(R.E.)O2，Mx(R.E.)O3，SrCoO3，La1-xSrxCoO3，SrIrO3和BaPb1-xBixO3的钙钛矿型晶体结构氧化物，其中“R.E.”代表稀土元素，而“M”是至少一种选自Mg，Na，K，Al，Cu，Sr，Ti，Ni，Fe，Mn，V和Cr的元素。当导电氧化物是Mx(R.E.)O3时，“X”值优选地可在1-3范围内。当导电氧化物是La1-xSrxCoO3时，“x值”优选地可以在0-0.5范围内。当导电氧化物是BaPb1-xBixO3时，“x”值优选地可以在0-0.6范围内。此外，导电氧化物可以是至少一种选自La2NiO4，LaCuO4和YBa2Cu3O7的K2NiF4型晶体结构氧化物。另外，导电氧化物可以是至少一种选自Pb2Ir2O7-x，Pb2Ru2O7-x，Bi2Ir2O7和Lu2Ir2O7的烧绿石型晶体结构氧化物。当导电氧化物是Pb2Ir2O7-x时，“x”值优选的可以在0-1范围内。当导电氧化物是Pb2Ru2O7-x时，“x”值优选的是可以在0-1范围内。
理想情况是，以金属组分和导电氧化物总量为100％，电极材料可以含有1-20重量％导电氧化物。当电极材料中导电氧化物含量少于1重量％时，不足以阻止得到的致动器的压电特性变差。另一方面，当电极材料中导电氧化物的含量超过20重量％时，得到的内电极层的电阻率升高，以致不能得到十分准确施加的电压-位移特性。而且，更理想的是，以金属组分和导电氧化物总量为100％，电极材料可以含有导电氧化物的量为1-12重量％，而优选的是含6-12重量％，更优选的是含6-10重量％。
叠层式压电组件1可以用，例如：下述方式形成。
首先，将金属组分和导电氧化物制成导电浆料。用丝网印刷法或类似方法将得到的导电浆料在薄板坯两个相对表面其中之一上整个涂覆一预定的厚度。随后，将涂覆有导电浆料的薄板坯叠加成所希望的层数，以使涂覆有导电浆料的薄板坯表面交替式叠加在另一块薄板坯没有涂覆导电浆料的相对表面上。然后，使这样叠加的许多薄板坯经受一预定的载荷来将它们结合在一起，并在此之后干燥。将形成的中间组件脱脂，并在此之后放入一可以保持铅气氛的双层护套中。最后，将双层护套放入空气流或氧气流中，并在900-1200℃的温度下将中间组件煅烧1-5小时。这样，就制成了叠层式压电组件，其中内电极层3和压电板2交替式叠加成整体。
对叠层的压电组件1进行绝缘处理，并设置引线5。此后，将叠层式压电组件1浸入已加热到100℃的硅油中。在引线5之间施加高压，以使叠加式压电组件1受到一个1-2KV/mm的电场作用。这样，叠层式压电组件1就经受了极化处理，并制成本发明的叠层式压电致动器。
应当注意，绝缘处理可以用下述方式进行。在叠层式压电组件1外露的侧表面其中之一上，每隔一层用绝缘体6覆盖内电极层3。此外，在上述外露侧表面相邻的另一外露侧表面上，每隔一层(该层在上述外露侧表面的相邻层已被绝缘体6覆盖)用绝缘体6覆盖内电极层3。
此外，可以用下述方式设置叠层式压电组件1的引线5。将导电板4设置在覆盖有绝缘体6的叠层式压电组件1的相应侧表面上，以便与内电极层3接触，该内电极层3未用绝缘体6覆盖，而露在外面。然后，使引线5与导电板4连接。
这里，由于叠层式导电板4是与内电极层3连接，所以理想情况是用导电优良的银板作为导电板4。另外，未特别限制引线5，只要导电性能同样良好就可以。此外，就绝缘体6而论，可以用，例如：绝缘橡胶作为例子。
用于生产如上所述的本发明叠层式压电致动器的方法是生产方法的一个例子。因此，如何生产本发明叠层式压电致动器的方法完全不限于上述方法。实例
下面，将具体描述根据本发明的叠层式压电致动器的一个实例。
下面将参照图1详细说明根据本发明的叠层式压电致动器的实例。叠层式压电致动器包括压电板2，内电极层3，银板4，引线5，和绝缘橡胶6。亦即，银板4用作导电板，而绝缘橡胶6用作绝缘体。压电板2和内电极层3交替叠加。另外，引线5通过银板与内电极层3连接，内电极层3的侧表面没有每隔一层绝缘。
至于电极材料的金属组分，使用Ag。此外，电极材料的导电氧化物用具有金红石型晶体结构的IrO2。以Ag和ZrO2总量为100重量％，将10％重量％的IrO2加到Ag中。将混合物转变成浆料。用产生的浆料作为电极材料。
压电板2是用一种薄板成形法，通过原料形成薄板坯来制造。原料通过适当地将一种有机粘结剂，一种增塑剂，一种有机溶剂等加到PZT粉末中并与该PZT粉末混合来制备。PZT粉末包括Pb(Zr，Ti)O3或PbZrO3和PbTiO3的固溶体。得到的薄板坯具有厚度为0.1mm，宽度为100mm，和长度为200mm。(致动器的生产方法)
将包括电极材料的导电浆料用丝网印刷法在整个薄板坯相对表面其中之一上涂覆一预定的厚度。随后，将涂覆有导电浆料的薄板坯切成尺寸为10mm×10mm×0.1mm的方块。将切开的方块以400块的量叠加，以便交替地使涂覆有导电浆料的薄板坯表面叠加在薄板坯没有涂覆导电浆料的另一表面上。然后，使叠加的薄板坯经受一预定的载荷作用将它们结合成一起，并干燥使它们转变成中间组件。另外，将中间组件进行脱脂处理，并放入一个可以保持铅气氛的双层护套中。最后，将中间组件在空气中于1200℃下煅烧5小时。这样，就制成了叠层式压电组件1，其中内电极层3和压电板2交替式叠加成为整体。应当注意，在煅烧之后内电极层3的厚度为约5μm。另外，叠层式压电组件1在煅烧之后尺寸为8mm×8mm×34mm。
将叠层式压电组件1进行绝缘处理，并设置引线5。此后，将叠层式压电组件1浸入已加热到100℃的硅油中。然后，在引线5之间施加高压以使叠层式压电组件1经受2KV/mm的电场作用。这样，叠层式压电组件1经受一种极化处理，并制成本发明叠层式压电致电器。应当注意，绝缘处理按下述方法进行。在叠层式压电组件1外露的其中之一侧表面上，每隔一层用绝缘体6涂覆内电极层3。另外，在上述外露侧表面相邻的另一外露侧表面上，每隔一层(该层在上述外露侧表面的相邻层已被绝缘体6覆盖)用绝缘体6覆盖内电极层3。此外，用下述方法设置叠层式压电组件1的引线5。将银板4设置在覆盖有绝缘橡胶6的叠层式压电组件1相应侧表面上，以便与相应的内电极层3接触，该内电极层3未覆盖绝缘橡胶6，而露在外部。然后，将引线5与银板4连接。(耐久试验法)
关于得到的叠层式压电致动器，在下列条件下进行了耐久试验：
施加的电场强度：0-1KV/mm；
频率：100Hz；
载荷变化：10-20MPa；和
温度：150℃。
应当注意，叠层式压电致动器是按与上述实例相同的方法生产的，但是用不含任何导电氧化物的Ag浆料作为电极材料。把所得到的叠层式压电致动器标为对照例。关于对照例，同样用与上述实例相同的方式进行耐久试验。(评定方法)
每次进行预定次数的耐久试验，在压电板2(或PZT层)的正电极侧，对压电板2其中之一的组成元素进行定量分析。为了定量分析元素浓度，使用了由NIHON DENSHI有限公司制造的“JXA-8600”型电子X射线探针显微分析器(EPMA)。光束的直径设定为10μm。在距压电2的正电极一侧表面10μm之内的任意5点处测量元素浓度，并确定平均值。测得4种元素即铅，锆，钛和氧的浓度。
此外，每次进行预定次数的耐久试验，测量吸持位移的变化。吸持位移用下述方法测量。首先，分别将叠层式压电致动器安装到刚度高的“U”形框架上。然后，使叠层式压电致动器经受一10MPa的预载荷，并用夹具螺钉固定到框架上。随后，将强度为0-1KV/mm的电场用一正弦波施加到叠层式压电致动器上，正弦波的频率为5Hz。然后，用一激光束偏移计或一间隙传感器测量在框架顶部处的位置变化。(评定结果)
图2示出在定量分析的各组成元素浓度中变化最明显的氧浓度的变化。在根据本发明的叠层式压电致动器中，采用包括10％重量百分数Ag(Ag和IrO2总量为100％重量)的电极材料，即使在增加重复的电场施加次数时，在正电极附近的氧浓度也很少下降。另一方面，在其中电极材料由Ag浆料单独组成的对照例叠层式压电致动器中，正电极附近的氧浓度随着重复的电场施加次数增加而急剧下降。这表明，在本发明的叠层式压电致动器中，通过从IrO2供给氧，能够抑制由重复操作所造成的氧浓度下降，IrO2中的氧是随着氧从正电极附近运动到负电极附近而加在内电极层3中，上述氧的运动伴随着重复操作。
另外，图3示出伴随重复操作叠层式压电致动器而发生的吸持位移的变化。从图中可以知道，在本发明叠层式压电致动器中，采用包括10％重量百分数Ag(Ag和IrO2总量为100％重量)的电极材料，即使在增加重复施加电场的次数时，吸持位移地极少减少。另一方面，应当理解，在其中电极材料只由Ag浆料组成的对照例叠层式压电致动器中，吸持位移随着重复电场施加次数的增加而急剧减少，因此位移的降低速率大于本发明叠层式压电致动器的降低速率。具体地说，当重复电场施加次数为109次时，在本发明的叠层式压电致动器中，位移的降低速率为2％，而在涉及现有技术的对照例叠层式压电致动器中，位移的降低速率为16％。这里，位移的降低速率指吸持位移相对于对它们重复施加电场109次之后初始位移的减量速率。亦即，在本发明实施例中，因为靠近正电极的氧浓度即使在增加重复电场施加次数时也保持稳定(如图2所示)，所以压电板2中保持了初始极化状态。结果，位移的降低速率减小。实验例1
遵循用于生产实例中的叠层式压电致动器的方法来生产各种压电器件，其中将IrO2加到电极材料中，电极材料主要由Ag组成，不过以Ag和IrO2总重量百分数为100重量％，IrO2的量可以在0-30重量％的范围内变动。压电器件用下述方法生产：将400块薄板坯叠加，用与实例相同的方法将它们同产生的电极材料结合并烧结在一起，并且尺寸同样为8mm×8mm×34mm。使所得到的压电器件在实例相同的条年下经受重复施加电场，以便测量电阻率和氧浓度变化速率。由这些数值，判断压电器件是否适用于叠层式压电致动器。这里，氧浓度变化速率指在压电板2正电极侧上，压电板2的氧浓度在电场施加于其上重复109次之后与初始氧浓度的比率。用与实例中相同的方法测量氧浓度。另外，电阻率指电极材料长度方向上的电阻率，该电极材料通过烘烤印刷在薄板坯的表面上。电阻率用所谓的四端法测量。
表1列出测量结果。以Ag和IrO2总量为100重量％，IrO2的加入量在0-30重量％范围内变动时，电极的电阻率在31×10-6至55×10-3Ωcm范围内变动。当电阻率大时，工作电压增加，作为热量消耗，以致一点也得不到高度准确的电压-位移特性。因而，这种压电器件不适用于叠层式压电致动器。因此，结论是当它们的电阻率为10-3Ωcm或更低时，压电器件是令人满意的。另外，当氧浓度变化速率太大时，改善氧浓度变化速率是毫无意义的。因此，结论是当它们的氧浓度变化速率为4％或更少时，压电器件是令人满意的。表1还列出了判断结果，其中标记“○”表示令人满意，而标记“×”表示不令人满意。
表1
| IrO2加入量(重量百分数，％) | 电阻率(Ω·cm) | 氧浓度变化速率(％) | 判断 |
| 0 | 31×10-6 | 8.5 | × |
| 0.5 | 50×10-6 | 4.1 | × |
| 1 | 58×10-6 | 2.5 | ○ |
| 2 | 81×10-6 | 2.1 | ○ |
| 4 | 93×10-6 | 1.8 | ○ |
| 6 | 4×10-5 | 1.5 | ○ |
| 8 | 14×10-5 | 1.2 | ○ |
| 10 | 28×10-5 | 1.2 | ○ |
| 12 | 16×10-5 | 1.1 | ○ |
| 14 | 82×10-5 | 1.0 | ○ |
| 20 | 47×10-4 | 0.9 | ○ |
| 22 | 5×10-3 | 0.8 | × |
| 25 | 11×10-3 | 0.6 | × |
| 30 | 55×10-3 | 0.6 | × |
从表1中可以知道，将IrO2加入主要是由Ag组成的电极材料中，以Ag和IrO2总量为100重量％，当IrO2的量为1-20重量％时，可能是合适的。(实验例2)
在实验例2中，用具有K2NiFe4型晶体结构的YBa2Cu3O7作为导电氧化物。
首先，生产压电器件，其中将YBa2Cu3O7加到主要是由Ag组成的电极材料中，而YBa2Cu3O7的量在0-30重量％范围内变动(以Ag和YBa2Cu3O7总量为100重量％)。得到的压电器件具有与实验例1相同的尺寸和形状。随后，使压电器件在与实验例1相同的条件下经受重复施加电场，来测量电阻率和氧浓度变化速率。表2列出了测量的结果。判断压电器件是否令人满意的标准与实验例1相同。
表2
| YBa2Cu3O7加入量(重量百分数，％) | 电阻率(Ω·cm) | 氧浓度变化速率(％) | 判断 |
| 0 | 31×10-6 | 8.5 | × |
| 0.5 | 56×10-6 | 4.5 | × |
| 1 | 84×10-6 | 2.6 | ○ |
| 2 | 91×10-6 | 2.3 | ○ |
| 4 | 23×10-5 | 2.1 | ○ |
| 6 | 48×10-5 | 1.9 | ○ |
| 8 | 79×10-5 | 1.6 | ○ |
| 10 | 3×10-4 | 1.5 | ○ |
| 12 | 16×10-4 | 1.3 | ○ |
| 14 | 82×10-4 | 1.2 | × |
| 20 | 97×10-4 | 1.0 | × |
| 22 | 5×10-3 | 0.9 | × |
| 25 | 45×10-3 | 0.8 | × |
| 30 | 81×10-3 | 0.7 | × |
在实验例2中，应当理解，加YBa2Cu3O7到主要是由Ag组成的电极材料中，当YBa2Cu3O7的量是在1-12重量％范围内时可能是合适的(Ag和YBa2Cu3O7总量为100重量％)。
现在已充分介绍了本发明，对本领域的技术人员来说，很显然，在不脱离如此处所述的本发明(包括所附权利要求)的精神和范围情况下，可以对其进行许多改变和修改。
Claims (8)
1.一种叠层式压电致动器，包括：
若干压电板；和
若干由电极材料组成的内电极层；
所述各压电板和内电极层交替式叠加；
其特征在于：电极材料包括一种金属组分和一种导电氧化物。
2.如权利要求1所述的叠层式压电致动器，其中导电氧化物是至少一种选自IrO2，OsO2，RhO2，PtO2，MoO2，WO2，LaO2和SnO2的金红石型晶体结构的氧化物。
3.如权利要求1所述的叠层式压电致动器，其中导电氧化物是至少一种选自SnO2，(R.E.)O2，Mx(R.E.)O3，SrCoO3，La1-xSrxCoO3，SrIrO3和BaPb1-xBixO3的钙钛矿型晶体结构的氧化物，其中“R.E.”代表稀土元素，和“M”是至少一种选自Mg，Na，K，Al，Cu，Sr，Ti，Ni，Fe，Mn，V和Cr的元素。
4.如权利要求1所述的叠层式压电致动器，其中导电氧化物是至少一种选自La2NiO4，LaCuO4和YBa2Cu7的K2NiF4型晶体结构的氧化物。
5.如权利要求1所述的叠层式压电致动器，其中导电氧化物是至少一种选自Pb2Ir2O7-x，Pb2Ru2O7-x，Bi2Ir2O7和Lu2Ir2O7的烧绿石型晶体结构的氧化物。
6.如权利要求1-5所述的叠层式压电致动器，其中所述电极材料含有导电氧化物，以金属组分和导电氧化物总量为100重量％，其含量为1-20重量％。
7.如权利要求1所述的叠层式压电致动器，其中所述压电极包括Pb(Zr，Ti)O3。
8.如权利要求1所述的叠层式压电致动器，其中金属组分包括至少一种从下述一组金属元素中选定的成员：Ag，Pd，Pt，Rh，Al，Ni和Cu。
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