TW522053B - Piezo-bent-converter - Google Patents

Description

522053 五、發明説明（1 ) 本發明涉及一種壓電式彎曲轉換器，其具有一種長 形之載體，此載體之至少一個縱側上設有一個壓電單元 ，其具有一個壓電體，壓電體包含一個或多個壓電材料 層及所屬之電極，這些電極導電性地與載體相連。此外 ，本發明亦涉及此種壓電式彎曲轉換器之應用。 在WO 99/ 1 73 8 3中此種形式之已爲人所知之壓電式 彎曲轉換器使用一種長形之載體，其在相面對之縱側上 分別設有一個壓電單元。此壓電單元含有一種以多層技 術構成之壓電體，此壓電體具有多個壓電材料層及其所 屬之電極。藉由施加一種控制電壓至各電極，則可在壓 電體中產生電場，此種電場可使壓電體之長度收縮且使 此壓電式彎曲轉換器相對於一種夾緊位置而形成一種振 動式移動之偏移。爲了可施加該控制電壓，則各別壓電 單元之電極須與載體相接觸，載體可與電壓源相連。 在操作上述習知之彎曲轉換器時，則會產生一些與 濕氣有關之問題。若此壓電式彎曲轉換器例如用作流體 控制用之閥之調整元件（此時其特續地由含有濕氣之介 質所流過），則會發生部份短路現象，其會損及此壓電 式彎曲轉換器之偏移特性且損及此種設有壓電式彎曲轉 換器之裝置。 本發明之目的是提供一 #本文開頭所述形式之壓電 式彎曲轉換器，其可以簡易之方式製成且對外界之影響 (特別是濕氣）不敏感。本發明另外涉及此種壓電式彎曲 轉換器之應用。 522053 五'發明説明（2 ) 上述之目的藉由本文開頭所述形式之壓電式彎曲轉 換器來達成，其中此壓電單元具有以環形方式封住此壓 電體之電性隔離用之塗層，其設有一個或多個導電性之 穿孔以便與電極作電性接觸。 以此種方式而設置一種壓電式彎曲轉換器，其中該 具有電極之壓電體藉由此種周圍包封之電性隔離用之塗 層而完全被包封且可針對環境而受到屏蔽。外界之影響 因此不可能接觸到此壓電體及其組件，因此使例如由濕 氣所造成之功能上之損害可被排除。爲了施加一種控制 電壓，則此壓電單元依據本實施形式設有一個或多個貫 穿此塗層之導電性穿孔。 原則上可使整個壓電式彎曲轉換器設有統一之塗層 。但獨立於載體之現有之一個或多個壓電單元之獨立之 封罩具有製程技術上及成本上很大之優點。各穿孔可在 壓電材料之電極及載體之導體之間形成導電性連接或延 伸至壓電材料之其它外側上之電極。 本發明有利之其它形式敘述在申請專利範圍各附屬 項中。 適當之方式是各穿孔位於此塗層之面向載體之此區 段中，使得在施加一種壓電單元於此載體上時同時可在 各壓電單元和載體之間形成電性接觸作用。此外，藉由 通常存在於壓電單元和載體之間之黏合層（用來固定此 壓電單元），則各穿孔之周邊區域能可靠地對環境而形 成密封。 ， -4- 522053 五、發明説明（3 ) 在各別穿孔之區域中，此載體可適當地支配一種與 此穿孔相連之導電性接觸面。此外，若一種設置在塗層 之位於載體上之此部份之外表面（其面向載體）上之接觸 層配屬於每一接觸孔，則這樣是有利的，其中此接觸層 用來接觸此載體能以足夠大之輪廓來測量，因此不需很 多之校準費用即可在設定此壓電單元時確保一種可靠之 接觸作用。 在壓電體只支配一種壓電材料層時（即，以單石式壓 電體構成），本發明之構造是有利的。但由於存在很多 電極，則在多層式壓電體（其具有多個壓電材料層）中此 種結構特別値得推荐。 隔離用之塗層之材料可適當地使用一種Parylene(熱 塑性聚合物膜之族（group)名，其中p-xylol所形成）或 一種聚醯亞胺（耐高溫之塑膠之屬名，其通常含有芳香 族）。 各穿孔可任意地形成。在特別簡單之製成方式中， 在各穿孔製造時在塗層中形成一些通孔，各通孔中然後 以導電性材料（例如，導電黏合劑）塡入。 原則此此載體亦可設有特定之塗層。但由於相關之 各組件已包封在此壓電體之構造中，則亦可輕易地構成 一種無塗層之載體。 此種壓電式彎曲轉換器可只設有一個壓電體而成爲 單組態彎曲轉換器或亦可設有二個位於相面對之縱側上 之已包封之壓電體而成爲三組態彎曲轉換器。 522053 五、發明説明（4 ) 爲了達成上述之其它目的，則此壓電式彎曲轉換器 可用作調整元件而具有一種驅動功能或密封功能，其例 如可與一種流體控制用之閥相組合。此塗層之外表面此 處可考慮直接作爲衝擊面及/或作爲密封面且在此種組 合中此塗層之外表面可由具有所期望之摩擦係數及/或 密封特性之材料所構成。 本發明以下將依據附圖作詳述。圖式簡單說明： 第1圖係本發明壓電式彎曲轉換器之較佳實施例依 據第2圖之切線I-Ι之縱切面圖。 第2圖係第1圖之壓電式彎曲轉換器之俯視圖，及 經由切線II-II之部份縱切面圖。 第1圖中通常以參考符號1表示之壓電式彎曲轉換 器支配一種長板形之具有平坦構造之載體2，其具有單 層或多層式構造。此處是一種單層構造，其較佳是由纖 維複合材料構成，例如，由碳纖維加強或玻璃纖維加強 之環氧樹脂所構成。其它較佳之實施形式具有由塑膠 (例如.，聚醯亞胺（Polyimid))所構成之多層結構。在此 種材料中可含有電極結構。 一種可能之多層結構在第1圖中由虛線之層接合線3 所表示，其同時表示此載體2之擴展面。 此載體2之此二個縱側之大平面之外表面之一是第 一承載面4，其在前側區域中設有第一壓電單兀5。第 一壓電單元5同樣具有長形之構造且平行於載體2之縱 軸而延伸，但第一壓電單元5較載體2還短，使載體2 522053 五、發明説明（5 ) 在背面側以連接區段6突出於第一壓電單元5。 載體2設有多個在縱向中延伸之導電軌，爲了更易 了解之故這些導電軌以後稱爲第一，第二導電軌7a， 7b，其由連接區段6之正面之末端區開始而在第一壓電 單元5之方向中延伸且因此而反握第一壓電單元5。在 連接區段6之區域中第一和第二導電軌7a，7b以習知 之方式連接至電壓源電路，以便施加或產生此壓電式彎 曲轉換器1操作時所需之控制電壓。第一和第二導電軌 7 a，7b在本實施例中在第一承載面4上延伸。 設在第一承載面4上之第一壓電單元5可支配長形 之壓電體8，其在一種與擴展面3成直角之堆疊方向9 中包含多個上下配置之平面式壓電材料層1 2。此種壓 電材料例如是一種壓電陶瓷。平面形式之第一和第二電 極1 3 a，1 3 b交替地在堆疊方向9中直接相鄰之壓電材 料層1 2之間延伸。第一和第二電極以金屬層構成，例 如，以銀/鈀-金屬層構成。除了最接近載體2之最下 層之壓電材料層12a及與12a相面對之最上層之壓電材 料層12b( 12a及12b)以無電極之方式形成在遠離層體之 側面上）之外，此壓電材料層1 2在相對之側面上分別是 第一和第二電極1 3 a，1 3 b。第一和第二電極1 3 a，1 3 b 在正側是由壓電材料層1 2中延伸而出，其中整個第一 電極13a通常與第一電性接觸件14a相連，第二電極 13b通常與第二電性接觸件14b相接觸。 在已安裝之第一壓電單元5中，第一電性接觸件1 4a 522053 五、發明説明（6 ) 及第一電極1 3 a是與載體2之第一導體7a相連。同理 ，第二電極13b經由第二電性接觸件14b而與第二電性 導體7b相接觸。 第一壓電單元5以適當之方式固定至第一承載面4。 在本實施例中這是藉由黏合而達成，其中在第一壓電單 元5之下側和第一承載面4之間施加一種黏合層1 5。 若經由第一和第二導體7a，7b而施加一種足大之控 制電壓至第一和第二電極1 3 a，1 3 b，則在壓電材料層 1 2之內部中在堆疊方向9中可形成一種極化電場，其 結果是：此壓電式彎曲轉換器1之縱向1 6中所測得之 壓電材料層1 2之長度値會變小。這樣會使壓電式彎曲 轉換器1彎曲，因此會依據箭頭1 7垂直於彎曲轉換器 之縱向而偏向。可使用此種偏移，以發揮一種驅動或密 封功能。 在實際上應用時，壓電式彎曲轉換器1在背面受到 擠壓，此時其以其前面區域來進行偏向移動。此種擠壓 可在連接區段6上進行及/或在第一壓電單元5之連接 至此區段6之背面之末端區中進行。 壓電式彎曲轉換器1之較佳應用在第1圖中以虛點 線表示。可辨認一種閥（其具有一種流體通道22)之外 殼1 8之區段，此通道22可支配此通道入口 23，其面 向第一壓電單元5之遠離此載體2之上部之外表面24a 。此壓電式彎曲轉換器1可只用來控制流體之流動，其 方式是其可依據控制狀態來釋放或封閉此流體通道入口 522053 五、發明説明（7 ) 23。壓電式彎曲轉換器1此處因此可進行一種封閉功能。 此種彎曲轉換器亦可作其它用途。例如可進行一種 驅動功能，此時其用作調整元件而以任意方式作用在一 種可移動之組件上，此種組件例如可以是閥。 壓電層8可在所形成之多層結構之位置上支配一種 單層結構，其只含有唯一之較厚之壓電材料層，壓電材 料因此具有單石式結構。 第一壓電單元5之其它特徵是：其具有一種電性上 以環形方式（即，完全包封）使壓電層8隔離之塗層25 。整個壓電材料層1 2及電極1 3 a，1 3 b因此是由此種以 封罩形式構成之塗層所包封且與環境相隔開。因此可對 所形成之濕氣及環境之其它影響造成最佳之屏蔽。 第一壓電單元5之壓電層8亦可不直接與載體2(其 本身較佳是以無塗層方式構成）相接觸。爲了固定至載 體2，則上述之黏合層1 5施加在第一承載面4及下部 之塗層區段26(其在載體2和壓電層8之間延伸）之面 向第一承載面4之下部之外表面24b之間。 爲了使第一，第二電極13a，13b可與載體2上所設 置之第一，第二導體7a，7b相接觸，則第一壓電單元 5較佳是在下部之塗層區段26之區域中設有此種貫穿 此塗層25之導電性穿孔27a，27b，其在由塗層25所 封閉之空間中在電性上是與第一及第二接觸件1 4a， 1 4 b相連接且在第一壓電單元5中是與第一，第二導體 7a，7b相接觸。 522053

五、發明説明（ 第，第一牙孔27a，27b在其區域中可使此種由塗 層以所限制且含有壓電層8之內部空間受到緊密流體 之隔離。在本實施例中這是以下述方式達成··在穿孔 2?a，2几之區域中使塗層設有通孔a，各通孔28 中以導電材料（例如，導電箔或導電塑膠）塡入，此種材 料可與塗層25之材料達成一種與材料屬性相關之接合 作用。 由於塗層25是由電性絕緣材料所構成（較佳是使用介 電質材料）’則可防止短路現象或不受其它影響，特別 是相對於電極13a，13b及電性接觸件i4a，14b之由塗 層2 5所覆蓋之區域而言因此即不需其它之電性隔離措 施。 ， 塗層25由Parylene聚合物膜構成時是特別適當的， 牛寸 Μ 疋可使用所 gfParyleneN(unsubstitutedPoly-Para-Xylylen)，parylene D(二個芳香族η原子由二個氯原子 所取代）或Parylene C(芳香族Η原子由氯原子所取代） ，特別是由於後者（g卩，Parylene C)之電性及物理特性 而値得使用Parylene C。其主要是對濕氣具有很低之導 磁率且具有其它腐蝕性氣體。Parylene聚合物可以結構 化之連續性之各層（其層厚度很薄）來構成，使壓電式彎 曲轉換器之大小不會由於施加該塗層而明顯地改變。 亦可使用聚醯亞胺（Polyimide)塑膠作爲塗層25之材 料，較佳是使用此種由公司Dupont所代理之所謂

Kapton 〇 -10- 522053 五、發明説明（9 ) 塑膠塗層25之製造例如可以層沈積之方法來進行。 爲了使載體2在裝設此壓電單元5時使製程容許度 儘可能保持很小，則有利之方式是：設置在下部塗層區 段26之面向載體2之下部外表面24b上之接觸層32配 屬於每一穿孔27a，27b，此接觸層32是與相關之穿孔 27a’ 27b相連，但具有較27a，27b還大之基面。此接 觸層3 2在第2圖中以虛線表示。 若第一，第二導體7a，7b在各別穿孔27a，27b之區 域中具有一種與其相接觸之導電接觸面3 3，則這樣亦 是有利的，此接觸面3 3在第2圖中以虛線表示，其基 面可較接觸層3 2者還大，使接觸層3 2可整面置於其所 屬之接觸面3 3上。各接觸層3 2就像接觸面3 3及整個 導體7a，7b —樣可由適當之金屬所形成。 由於第一壓電單元5在本實施例中可支配二個電極 組13a，13b且每電極組各設有一個穿孔27a，27b，則 第一壓電單元5只支配較少數目（只有二個）之穿孔27a ，2 7b，其在載體2之縱向1 6中適當地相隔開而配置著 。依據壓電單元之構造，只設有一個或多於二個之穿孔 27 ° 本實施例之壓電式彎曲轉換器1使用一種單組態之 構造（其只具有一個壓電單元5 0 °本發明同樣可用在一 種具有多個壓電卓兀Z壓電式绿曲轉換益1。弟1圖中 顯示一種三組態-壓電式彎曲轉換器之構造，其中位於 第一承載面4對面之縱側上之載體2可使用第二承載面 -11- 522053 10 λ 五'發明説明（） 4a，其設有第二壓電單元5a(虛點線所示）。 壓電式彎曲轉換器1之其它優點是：在適當地選取 此塗層2 5之材料時，則在驅動及/或密封不需其它之 組件即可與對立組件相接觸。此塗層2 5之外表面可直 接作爲衝擊面及/或密封面，藉此可使壓電式彎曲轉換 器1置於一種可驅動之組件上及/或置於一種閥位置上。 參考符號說明 1 .....壓電式彎曲轉換器 2 .....載體 3 .....層接合線 4 .....承載面 5 .....壓電單兀 6 .....連接區段 7 a,7b.....導體 8 .....壓電體 9 .....堆疊方向 12,12a，12b. ····壓電材料層 13a,13b.....電極 1 4 a，1 4 b.....接觸件 1 6 · · · · ·縱向 22.....流體通道 2 3.....流體通道入口 24a.....外表面 25.....塗層 -12- 522053 五 '發明説明（11) 26———— .塗 層 區段 27a，27b · 穿孔 28 · · · · .通 孔 32 · · · · •接 觸 層 ο 〇 j j · · · · .接 觸 面

-13-

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 第90 1 1 1 436號「壓電式彎曲轉換器 」專利案 (9 1年8月修正） 六申請專利範圍： 1· 一種壓電式彎曲轉換器，其具有長形之載體（2 )，載 體（2 )在至少一個縱側上設有壓電單元（5，5 a )，其具 有一個壓電體（8)，壓電體（8)包含一個或多個壓電材 料層（12)及其所屬之電極（13a，13b)，其特徵爲：壓 電單元（5，5b )具有一種以環形方式包封此壓電體（8 ) 之隔離用之塗層（25)，此塗層（25)設有一個或多個導 電穿孔（27a，27b)使電壓（13a，13b)可被電性接觸。 2. 如申請專利範圍第1項之壓電式彎曲轉換器，其中各 穿孔（27 a，27b)’配置在隔離用之塗層（25)之介於壓電 層（8)和載體（2)之間之區段（26)中且在電極 (13a，13b)和載體（2)(或載體（2)之導體（7a，7b))之 間形成一種導電連接。 3. 如申請專利範圍第2項之壓電式彎曲轉換器，其中此 載體（2)在各別之穿孔（27a，27b)之區域中具有一種 與各穿孔相接觸之導電接觸面（33 )。 4. 如申請專利範圍第2或3項之壓電式彎曲轉換器，其 中每一接觸孔（27 a，27b)都設有一種接觸層（32)以接 觸此載體（2)，此接觸層（32)設在此塗層（25)之位於 載體（2)上之此區段（26)之面向載體（2)之外表面 (24b)上，且此接觸層（32)較佳是以連接墊構成。 六、申請專利範圍 5·如申請專利範圍第1至3項中任一項之壓電式彎曲轉 換器，其中此載體（2 )具有單層或多層構造，控制電 壓可經由載體（2)之導體（7a，7b)而施加至電極 (13a，13b)。 6·如申請專利範圍第5項之壓電式彎曲轉換器，其中導體 (7a，7b)至少一部份配置在多層式載體（2)之內部中。 7. 如申請專利範圍第5項之壓電式彎曲轉換器，其中具 有至少二個在載體（2)之縱向中互相隔開之穿孔 (27a，27b)。 8. 如申請專利範圍第5項之壓電式彎曲轉換器，其中此 載體（2 )包含纖維複合體，其特別是由碳纖維強化-或玻璃纖維強化之環氧樹脂所構成。 9·如申請專利範圍第8項之壓電式彎曲轉換器，其中載 體（2)之材料包含聚醯亞胺且特是具有一種積體電極 結構。 10. 如申請專利範圍第1或2項之壓電式彎曲轉換器，其 中壓電體（8)以多層壓電體構成。 11. 如申請專利範圍第1項之壓電式彎曲轉換器，其中壓 電單元（5, 5a)之塗層具有介電質材料特性。 12·如申請專利範圍第1，2或11項之壓電式彎曲轉換器 ，其中此塗層由聚合物膜所形成之Parylene-塑膠所 構成，較佳是由所謂Parylene C所構成。 13.如申請專利範圍第1，2或11項之壓電式彎曲轉換器 522053 年”修正 Ql Β. 28ΐ ' ifA 六、申請專利範圍 ，其中此塗層（25)由聚醯亞胺-塑膠層所構成，較佳 是由所謂Kap ton所構成的。 14·如申請專利範圍第1，2或11項之壓電式彎曲轉換器 ，其中此塗層（25)由層沈積方法所製成之塑膠層所 形成。 15. 如申請專利範圍第1或2項之壓電式彎曲轉換器，其 中各別之芽孔（27a，27b)由導電材料引入此塗層（25) 之通孔（2 8 )中而形成，此導電材料例如可以是導電 黏合劑。 16. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之壓電式彎曲轉 換器，其中此載體（2)以無塗層方式而形成。 17. 如申請專利範圍第1或11項之壓電式彎曲轉換器，其 中壓電卓兀（5，5a)是與載體（2)相黏合。 18. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之壓電式彎曲轉 換器，其中此載體（2 )在二個相面對之縱側上分別設 有壓電單元（5, 5a)。 19. 如申請專利範圍第17項之壓電式彎曲轉換器，其中此 載體（2 )在二個相面對之縱側上分別設有壓電單元 (5，5 a )。 20. 如申請專利範圍第1，2或3項之壓電式彎曲轉換器 ，此壓電式彎曲轉換器具有驅動功能及/或密封功 能而用作調整元件，此壓電式彎曲轉換器之塗層（25) 之外表面可適當地直接用作衝擊面及/或密封面。