TW503131B - Piezo-ceramic bending-converter - Google Patents

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503131 五、發明説明（1) 本發明涉及一種壓電陶瓷彎曲轉換器，其具有一種載 體及一種施加於載體上之堆疊，此堆疊由各層所構成， 這些層包含：壓電陶瓷及配置於各層之間之平面式電 極。本發明亦涉及此種彎曲轉換器之應用。 此種壓電陶瓷彎曲轉換器在D D 2 9 3 9 1 8 A 5及 W Ο 9 9 / 1 7 3 8 3中已爲人所知。依據W Ο 9 9 / 1 7 3 8 3，爲了控 制此壓電陶瓷彎曲轉換器，則在壓電陶瓷所構成之各層 之間所配置之各電極在堆疊方向中觀察時交替地處於 正電位及負電位。由壓電陶瓷所構成之相鄰之各層極 化成相反之方向，使整個堆疊在施加該操作電壓時由於 壓電陶瓷之壓電效應而受到收縮或膨脹。 此種由壓電陶瓷所構成之各層所形成之堆疊之其它 可能之控制方式由D E 3 4 3 4 7 2 6 C 2中可得知。 由D E 3 4 3 4 7 2 6中已知使用鈦酸鉛，欽酸鋇，鈦酸鉛銷 作爲這些層之壓電陶瓷用之材料或使用這些陶瓷材料 之變異型作爲材料。由D D 2 9 3 9 1 8 A 5中已知以彈蓄鋼 作爲載體用之材料，由W Ο 9 7 / 1 7 3 8 3中已知之纖維複舍 材料或玻璃作爲載體用之材料。由纖維複合材料或玻 璃所構成之載體在電能轉換成機械能時會有較好之效 率。 壓電陶瓷彎曲轉，換器及載體通常以所謂”三態，，構 成。這表示：載體二側分別塗佈至少一種由壓電陶瓷所 構成之壓電活性層。由於構造上之對稱，則此種壓電陶 瓷彎曲轉換器之與溫度有關之特定彎曲量較該載體只 503131

五、發明説明（2 ) 在一側作塗層時還小。 若使用一種由多個壓電陶瓷層所構成之堆疊以取代 各別之壓電陶瓷層時，則在較小之操作電壓時可使用相 同之機械能量。這是因爲：堆疊中由於各別壓電陶瓷層 之厚度較小，則在相同之操作電壓時一種較大之電場 E(其較使用一種唯一之層（其厚度與該堆疊者相同）時 之電場還大)是依據E = U/d而形成，其中E表示電場，U 是所施加之電壓，d是陶瓷層之厚度。若壓電陶瓷彎曲 轉換器需要較小之調整路徑及較大之調整力，則活性壓 電材料有利之構造是：一種具有多個各別由壓電陶瓷所 構成之層所形成之堆疊（其以多層技術製成）。 由於以上所述之最後一個原因，則應用在閥（valve)中 之壓電陶瓷彎曲轉換器較佳是以堆疊或多層方式來構 成。但缺點是：此種多層式之構造所需之製造成本及材 料成本較大。壓電陶瓷層較箔還貴；許多各別之電極層 是需要的，這樣會使材料（AgPd)成本增大。在使用多層 式構造之壓電陶瓷彎曲轉換器時，此閥雖然有較佳之調 整特性，但由於組件價格較傳統式構造之同等級之閥還 昂貴，則此閥仍然不具競爭力。 本發明之目的是提供一種多層式構造之壓電陶瓷彎 曲轉換器，其可有利地製成。本發明亦涉及此種轉換器 之應用。 依據本發明，上述之第一目的是以下述方式達成：在 載體之遠離此堆疊之此側上施加一種適應層，其所用之

•4- 五 '發明説明（3 ) 材料之熱膨脹係數是與壓電陶瓷層相同。 本發明由以下之考慮開始：在使用此種壓電陶瓷彎曲 轉換器於一種閥中時，此彎曲轉換器只需二個已界定之 位置。在其中一個已界定之位置中，此閥必須閉合，而 在另一已界定之位置中時，此閥必須斷開（off)。不需第 三個已界定之位置。依據此彎曲轉換器之控制方式，若 此閥在彎曲轉換器未受到控制時斷開（off)，則稱爲一種 常開（normally open)閥，若此閥在彎曲轉換器未受到控 制時閉合（〇n)，則稱爲常閉閥（normally closed valve)。 本發明其它之考慮是：控制一種閥所需之此二個位置 在未施加電壓時由壓電陶瓷彎曲轉換器之靜止位置所 設定，在施加電壓時則由偏向位置所設定，於是此彎曲 轉換器只需在一個方向中偏向。就一種用在閥中之彎 曲轉換器而言，在單側上施加此種由壓電陶瓷所構成之 層所形成之堆疊（以下稱爲壓電堆疊）於載體上時即已 足夠。在相反極化方向中受到控制之第二壓電堆疊對 偏向而言只提供一種較小之貢獻，這是因爲場強度由於 雙極化效應而必須受到限制。爲了不使該彎曲轉換器 用在閥中時效率變低，則可省略一個壓電堆疊。這樣對 成本是有利的，因爲一種由許多各別壓電陶瓷層（其間 配置著電極）所構成之壓電堆疊之製造較昂費。 本發明其它考慮是：壓電陶瓷彎曲轉換器（其具有一 個載體及一種在單側上配置於此載體上之壓電堆疊）相 對於另一種彎曲轉換器（其具有一個載髏及二個在雙衝 503131 五、發明説明（4 ) 上配置於此載體上之壓電堆疊）而言由於構造不對稱而 具有較高之熱學上之特定彎曲量，因此不適合應用在閥 中。此問題以下述方式解決：在載體之遠離此堆疊之此 側上施加一種適應層，其由一種熱膨脹係數與壓電陶瓷 相同的材料所構成。 適應層可有利地由玻璃或氧化鋁所構成。此二種材 料之熱膨脹係數類似於一般作爲壓電陶瓷用之鉛-鉻酸 鈦-氧化物陶瓷者。 壓電陶瓷通常以下述方式獲得其壓電特性；其在一種 均勻之電場中被極化。壓電陶瓷之熱膨脹係數之改變 是與此種極化有關。在本發明另一有利之構造中，適應 層由已極化之壓電陶瓷所構成之便補償此彎曲轉換器 之熱學上之特定彎曲量。在此種情況下，此適應層之熱 膨脹係數是與載體另一側上所施加之堆疊中由壓電：陶 瓷所構成之各層之熱膨脹係數相同。在此情況下此適 應層由已極化之單石式壓電陶瓷（即，由壓電陶瓷所構 成之唯一之層）所構成。 例如，玻璃，金屬或纖維複合材料可作爲載體用之材 料。就簡易之可處理性及壓電陶瓷和載體之間之持續 性之連接而§，右載體由纖維複合材料所構成時是有利 的。 若纖維複合材料是一種以碳纖維或玻璃纖維來強化 之環氧樹脂，則特別是可在壓電陶瓷和載體之間形成一 種持續且固定之連接。製造時使用一種環氧樹脂-預浸 503131 五、發明説明（5) 片（p r e p 1· e g)(其是一種未硬化之坯件）作爲載體用之原 始材料，其藉由熱處理而在熱性上與壓電陶瓷相黏合。 在本發明其它有利之構成中，固定側上之載體之自由 部經由堆疊和適應層而向外延伸。載體之自由部可以 有利之方式用來固定該彎曲轉換器。此種構成亦可簡 易地使此壓電堆疊中之各電極可被接觸。例如，在載體 之自由部上可黏合一種小銅板，其一部份是在壓電堆疊 下方延伸且在該處與各別電極在電性上相接觸。在小 銅板上可以簡易之方式焊接一種連接線。 壓電堆疊之電極有利地由壓電陶瓷伸出以便在固定 側上達成一種接觸作用且在壓電陶瓷之對面又回到其 餘之各側。以平面金屬層構成之電極以此種方式由壓 電堆疊或由適應層伸出而只到達該固定側。在壓電堆 疊之一般燒結過程中，藉由電極回到外側上之位置而形 成一種燒結層，其在燒結過程結束之後使電極密封地與 環境相隔離。壓電堆疊中此種形式之電極因此可使壓 電陶瓷彎曲轉換器在濕度較大時或水中操作。各別之 電極由燒結層而達成良好之電性隔離作用，這樣可提高 壓電堆疊之短路穩固性。 ‘ 就此種彎曲轉換器之短路穩固性而言，若各電極之由 壓電堆疊或由澆注材料所伸出之部份以澆注材料來密 封，則這樣是有利的。因此使用一種可由澆注材料來澆 注之彎曲轉換器。 就簡易之可操縱性而言，若澆注材料是一種環氧樹脂 -7- 503131 五、發明説明（6 ) 時，則這樣是有利的。特別是可使用一種可藉由雷射而 硬化之黏合劑作爲澆注材料。以一種澆注材料來進行 澆注，則整個壓電陶瓷彎曲轉換器可受到保護而防止濕 氣且因此可用在液體導引閥中。 就應用而言，本文開頭所述之目的在本發明中以下述 方式達成：壓電陶瓷彎曲轉換器（如申請專利範圍第！ 至9項中任一項所述者）在一種閥（特別是氣動閥）中用 作調整元件。此種閥由於其相對於傳統之閥具有良好 之價格/效率比（ratio)而具有競爭力。 本發明之實施例將依據圖式詳述如下。圖式簡單說 明： \ 第1圖具有一種載體之壓電陶瓷彎曲轉換器之縱切 面，在載體之一側上施加一種堆疊（其由壓電陶瓷層所 構成）且在另一側上塗佈一種適應層（其是一種單石式 壓電陶瓷）。 第2圖第1圖之壓電陶瓷彎曲轉換器之橫切面。 第3圖第1圖之壓電陶瓷彎曲轉換器之以三維空間 所表示之固定側。 第1圖是壓電陶瓷彎曲轉換器1之縱切面，其具有一 種由玻璃纖維所強化之環氧樹脂所構成之載體3。載 體3上在單側施加一種由許多壓電陶瓷層6所構成之 堆疊4 (各層之間配置一種銀/ IG -金屬層形式之電極 7，8)。在載體3之遠離堆疊4之此側上施加一種由單 石式壓電陶瓷所構成之適應層1〇。 503131 五、發明説明（7) 載體3之自由部向外延伸於壓電陶瓷彎曲轉換器1 之固定側1 2上。在縱切面中可看見的是：固定側1 2上 之電極8之一些部份1 3由堆疊4向外延伸且在該處作 電性上之互相接觸。各電極7(在所示之縱切面圖中不 可見）以同樣方式在另一側上向外延伸且同樣互相接觸 (第2圖）。電極7，8之向外延伸之此部份1 3在固定側 1 2上以環氧樹脂所構成之澆注材料1 4來密封。 此堆疊4又具有一種面向載體3之內電極1 6及一種 外電極1 8 5其同樣是一種銀/鈀-金屬層。內電極1 6或 外電極1 8亦可省略。這在濕氣中操作此彎曲轉換器時 是有利的。該適應層1 〇設有內電極1 5及外電極1 7。 堆疊4之壓電陶瓷層6及適應層10之單石式壓電陶瓷 在經由電極7，8以及1 6，1 8或1 5，1 7而施加一種預定之 電壓時被極化。此適應層1 〇之熱膨脹係數因此與壓電 陶瓷層6者相同。使用一種鉛-锆酸鹽-鈦-氧化物陶瓷 作爲壓電陶瓷。 在壓電陶瓷彎’曲轉換器1之固定側12上在載體3上 黏合一種小銅板1 9,其一部份在堆疊4下方延伸。小銅 板1 9在該處（如縱切面中可辨認者）是電性地與電極8 相接觸。爲了使電壓供應至電極8，須在小銅板1 9上焊 接一種終端電纜。 第2圖顯示第1圖之壓電陶瓷彎曲轉換器之橫切 面。須選取此種橫切面，使第1圖之電極7可被看見。 圖中可淸楚地辨認：使用小銅板1 9a以接觸此電極7,使 503131 五、發明説明（8) 用小銅板1 9 b以接觸電極8。電極之一部份2 0由堆疊 伸出且在外部與小銅板1 9 a相接觸。小銅板1 9 a和 19b黏合在載體之自由部21上。 第2圖中又可淸楚地看出：各電極（所示者是電極7) 返回壓電陶瓷層6對面之各側2 2，2 4和2 6。藉由此種 返回作用，則在濕氣中可改良壓電陶瓷彎曲轉換器之短 路穩固性。 第3圖是載體3之自由部2 1之透視圖。可淸楚地看 出：小銅板1 9 a在電性上是與所有之電極8相接觸且小 銅板1 9 b在電性上是與所有之電極7相接觸。若在小 銅板1 9a和1 9b之間施加一種電壓，則在相鄰之壓電陶 瓷層6中分別在相反方向中出現電場。由於相鄰之壓 電陶瓷層6之極化方向亦在相反方向中，則施加電壓時 會使堆疊4之所有之層6收縮或膨脹，因此造成此堆疊 4之總收縮或膨脹。若使載體3之自由部2 1固定，則施 加電壓至小銅板1 9a, 1 9b時因此會使彎曲轉換器1之 另一端偏向。 第3圖中又可看出：施加電壓時此適應層1 〇之壓電 陶瓷藉由小銅板1 9 c , 1 9 d而同樣可被極化。 符號說明 1 ...壓電陶瓷彎曲轉換器 3…載體 4…堆疊 6 ·..層 -10- 503131 五、發明説明（9 ) 7,8 ...電極 10.. .適應層 1 2…固定側 13…電極8之一些部份 1 5 5 1 6…內電極 1 7,1 8 ...外電極 19，19a，19b…小銅板 20.. .電極之一部份 2 1 ...載體之自由部 -11-

Claims (1)

1¾ 1¾ 503131

Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 第901085 51號「壓電陶瓷彎曲轉換器及其應用」專利案 (91年6月修正） 1. 一種壓電陶瓷彎曲轉換器（1)，其具有一個載體（3)及 一種安裝於載體（3)上之堆疊，此堆疊由壓電陶瓷層 (6)及配置於各層（6)之間之平面式電極（7,8)所構成， 其特徵爲：在載體（3)之遠離此堆疊之此側上施加一 種適應層（1 〇)，其材料所具有之熱膨脹係數是與壓電 陶瓷者相同。 2. 如申請專利範圍第1項之壓電陶瓷彎曲轉換器（1 )， 其中該適應層（1 〇)由玻璃或氧化鋁所構成。 3 .如申請專利範圍第1項之壓電陶瓷彎曲轉換器（1 )， 其中該適應層（1 〇)由已極化之壓電陶瓷所構成。 4. 如申請專利範圍第或3項之壓電陶瓷彎曲轉換器 (1)，其中該載體（3)由纖維複合材料所構成。 5. 如申請專利範圍第4項之壓電陶瓷彎曲轉換器（1)， 其中纖維複合材料是一種以碳-或玻璃纖維所強化 之環氧樹脂。 6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之壓電陶瓷彎 曲轉換器（1)，其中固定側（12)上之載體（3)之自由部 (2 1)經由堆疊及該適應層（10)而向外延伸。. 7. 如申請專利範圍第6項之壓電陶瓷彎曲轉換器（1)， 其中各電極（7,8)由壓電陶瓷向外伸出以便在固定側 (1 2)上形成電性接觸作用且在壓電陶瓷對面回到其 _ 餘之各側（22,24,26)。 8. 如申請專利範圍第7項之壓電陶瓷彎曲轉換器（1)， 其中各電極（7，8)之向外伸出之部份（2 0)在固定側 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ------- 訂--------線* 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503131 t、申請專利範圍 (12)上以一種澆注材料（14)密封。 9.如申請專利範圍第8項之壓電陶瓷彎曲轉換器（1)， 其中澆注材料（1 4)是一種環氧樹脂。 1 〇.如申請專利範圍第1至3項中任一項之壓電陶瓷彎 曲轉換器（1)，其是用在一種閥（特別是氣動閥）中作 爲調整元件。 -13-