TWI403009B - 環狀極化壓電片、其製程及其應用在扭力感測器 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種環狀極化壓電片之製程、其應用在壓電感測器、及該壓電感測器應用在扭力感測器，尤其是該環狀極化壓電片是一體成型者。
壓電效應是指一種由電能轉換成機械能的方式，此現象於1880年由居里兄弟所發現，直到1947年由S. Roberts學者所發現直流電場對鈦酸鋇(BaTiO3
)陶瓷剩餘極化量之影響，就此啟了陶瓷材料在壓電特性方面的應用與探討。今日，壓電元件已廣泛地被應用於各種元件上，像是Sensor(感測器)、Actuator(驅動器)、Transducers(換能器)、SAW Filter(表面聲波濾波器)等。由於壓電元件的種類繁多，大致依結構與外型可區分為，單層或多層，以及矩形、圓盤型及圓環型(環狀型)。
圓環型壓電元件最重要的就是環狀極化壓電片，傳統的環狀極化壓電片，其製造過程通常是用數個方形的壓電胚片，分別予以同方向極化，之後再排列成如圖1A所示，然後分別加工成扇型，再加以結合成如圖1B所示的環狀。
上述傳統的環狀極化壓電片，其極化方向並非是繞著環狀方向，也就是並非垂直於環截面。如此一來，其可能的缺點則包括有壓電輸出效率不佳、穩定性差以及結構性較弱。
本發明之主要目的係在提供一種環狀極化壓電片之製程，尤其是該環狀極化壓電片是一體成型者。
本發明之另一目的係在提供一種環狀極化壓電片應用在壓電感測器，尤其是該環狀極化壓電片的極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向。
本發明之再一目的係在提供一種應用環狀極化壓電片之壓電感測器應用在扭力感測器。
為達成上述之目的，本發明提供一種環狀極化壓電片之製程，其包括：步驟1：提供一壓電胚片，且該壓電胚片是經過成型加工為中空環狀之壓電胚片。較佳者，該壓電胚片是鋯鈦酸鉛壓電胚片。
接下來步驟2：在該中空環狀之壓電胚片之兩面分別以網印燒附至少一對電極環，將該中空環狀之壓電胚片等分成複數區段。較佳者，網印燒附至少一對電極環，實質上係網印燒附三對電極環。電極環較佳為銀電極環。
然後是步驟3：將該中空環狀之壓電胚片放入高溫矽油中，對各區段進行高壓極化，使得該中空環狀之壓電胚片之極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向。
較佳者，再進行除去所有的電極環之步驟，以形成該環狀極化壓電片。所形成的環狀極化壓電片為符合d15
等效壓電係數。
此外，本發明之另一目的是提供一種壓電感測元件，其包括一環狀極化壓電片、二陶瓷結構膠、二電極片、二結構膠、一環狀陶瓷片及一圓盤柱狀之陶瓷片。較佳者，環狀極化壓電片為符合d15
等效壓電係數。
本發明之壓電感測元件其環狀極化壓電片的兩面分別印附有低溫電極，且該環狀極化壓電片之極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向。二陶瓷結構膠分別位於環狀極化壓電片之上與下。二電極片則分別位於二陶瓷結構膠之上與下。藉由加壓二陶瓷結構膠可使上下二電極片與該環狀極化壓電片彼此貼附。二結構膠分別位於該二電極片之上與下，藉結構膠可將二電極片分別固定在環狀陶瓷片及圓盤柱狀之陶瓷片。因此，環狀陶瓷片是位於該二結構膠其中之一者之上，而圓盤柱狀之陶瓷片則位於該二結構膠其中另一者之下。
在另一實施例中，環狀陶瓷片及圓盤柱狀之陶瓷片可以換成是環狀高摩擦係數材料片及圓盤柱狀高摩擦係數材料片。
另外，本發明之再一目的係在提供一種應用環狀極化壓電片之壓電感測器應用在扭力感測器。該扭力感測器包括：一壓電感測元件、一形變結構元件及一固定罩。壓電感測元件是利用上述的壓電感測元件。形變結構元件位於該壓電感測元件之上或下，用以接受一待測扭力物件之施力。
固定罩具有一中空容納區與一貫穿區，壓電感測元件與形變結構元件係位於該中空容納區，且該貫穿區係可容納待測扭力物件，以使該待測扭力物件與形變結構元件相接觸。形變結構元件可將其所受之力等效傳遞到壓電感測元件，再藉由壓電感測元件之壓電正電壓效應，產生輸出訊號。
該固定罩、該形變結構元件及該壓電感測元件係利用第二結構膠，或利用螺栓使其彼此達成固定。
為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。
請同時參考圖2A與圖2B，本發明提供一種環狀極化壓電片2之製程，其包括：首先步驟1：提供一壓電胚片，且該壓電胚片是經過成型加工為中空環狀之壓電胚片。較佳者，該壓電胚片是鋯鈦酸鉛壓電胚片(PZT)，由於壓電胚片為本發明領域熟知者，故未多贅述。
接下來步驟2：在該中空環狀之壓電胚片之兩面分別以網印燒附至少一對電極環20a-20f，將該中空環狀之壓電胚片等分成複數區段。較佳者，電極環較佳為銀電極環。網印燒附至少一對電極環，實質上係網印燒附三對電極環，因此中空環狀之壓電胚片等分成六個區段21-26。
然後是步驟3：將該中空環狀之壓電胚片放入高溫矽油中，對各區段進行高壓極化，使得該中空環狀之壓電胚片之極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向。
舉例而言，將電極環20a設計為「+」電壓，電極環20b設計為「-」電壓，如此一來，對該中空環狀之壓電胚片進行高壓極化時，中空環狀之壓電胚片區段21極化方向即如箭號方向所示，例如在壓電胚片的等效中間直徑之電極間距離施加數千V/mm的直流極化電壓，較佳者最小為1.5KV/mm的直流極化電壓。然後將電極環20b改設為「+」電壓，而電極環20c設計為「-」電壓，進行高壓極化，中空環狀之壓電胚片區段22極化方向即如箭號方向所示。依序地進行高壓極化，將所有壓電胚片區段21-26完成高壓極化，則可獲致如圖2A所示的極化方向。
此外，為了節省極化時間，本發明還可同時將電極環20a與20d設計為「+」電壓，而電極環20b與20e設計為「-」電壓，進行高壓極化，則中空環狀之壓電胚片區段21與24極化方向亦可如箭號方向所示。如此一來，僅需進行三次極化作業，就可將整個中空環狀之壓電胚片完成極化。
雖然圖示為三對電極環，然電極環的數量並非用以限制本發明，例如四對電極環，亦可達成本發明之目的，亦即環狀極化壓電片的極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向。
較佳者，完成極化之後，再進行除去所有的電極環20a-20f之步驟，以形成所需的環狀極化壓電片2，如圖2B所示者，為一體成型之環狀極化壓電片2，且其極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向。較佳者，以此方法所形成的環狀極化壓電片為符合d15
等效壓電係數。
此外，本發明之另一目的是提供一種壓電感測元件。請圖時參考圖3與圖4。圖4係依據圖3，顯示完成組裝後的壓電感測元件4之立體圖。本發明之壓電感測元件4包括一環狀極化壓電片2、二陶瓷結構膠31、二電極片33、二結構膠34、一環狀陶瓷片35及一圓盤柱狀之陶瓷片36。較佳者，環狀極化壓電片2為符合d15
等效壓電係數。
本發明之壓電感測元件4其環狀極化壓電片2的兩面分別印附有低溫電極(圖未示)，例如可在環狀極化壓電片2的兩面塗附低溫銀膠作為低溫電極。環狀極化壓電片2之極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向。進一步而言，環狀極化壓電片2可以是利用上述方法形成者。
如圖3所示，二陶瓷結構膠31,31分別位於環狀極化壓電片2之上與下。二電極片33,33則分別位於二陶瓷結構膠31,31之上與下。藉由加壓二陶瓷結構膠31,31可使上下二電極片33,33與該環狀極化壓電片2彼此貼附。二結構膠34,34分別位於二電極片33,33之上與下，藉結構膠34,34可將二電極片33,33分別固定在環狀陶瓷片35及圓盤柱狀之陶瓷片36。因此，環狀陶瓷片35是位於該二結構膠其中之一者之上，而圓盤柱狀之陶瓷片36則位於該二結構膠其中另一者之下。
在另一實施例中，環狀陶瓷片35及圓盤柱狀之陶瓷片36亦可以換成是環狀高摩擦係數材料片及圓盤柱狀高摩擦係數材料片。
無論是陶瓷片亦或是高摩擦係數材料片，都是多層壓電元件，而屬於本技術領域之人所熟習者，因此對於此一多層結構的原理與作用，未多作贅述。惟，本發明之壓電感測元件4其乃利用一體成型之環狀極化壓電片2，不僅簡化製程，縮短製程時間，更由於環狀極化壓電片2之極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向，其優點還包括改善壓電輸出效率、穩定性高以及結構性強。
另外，本發明之再一目的係在提供一種扭力感測器。如圖5A及5B所示，扭力感測器5包括：一壓電感測元件4、一形變結構元件51及一固定罩52。壓電感測元件4是利用上述圖4所示的壓電感測元件4。形變結構元件51位於該壓電感測元件4之上或下，用以接受一待測扭力物件90之施力。
固定罩52具有一中空容納區521與一貫穿區522，壓電感測元件4與形變結構元件51係位於該中空容納區521，且該貫穿區522係可容納待測扭力物件90，以使待測扭力物件90與形變結構元件51相接觸。
當壓電感測元件4採用的是如前所述的環狀陶瓷片35及圓盤柱狀之陶瓷片36時，扭力感測器5可利用第二結構膠(圖未示)，將壓電感測元件4的兩面(即環狀陶瓷片35與圓盤柱狀之陶瓷片36)分別貼附在固定罩52內與形變結構元件51。
而在另一實施例中，壓電感測元件亦可採用的是環狀高摩擦係數材料片及圓盤柱狀高摩擦係數材料片。在此實施例中，請參考圖6A與圖6B，利用螺栓(例如中軸同圓心螺栓)60將壓電感測元件4’與形變結構元件51固定在固定罩52內。
請參考圖7的示意圖說明本發明之扭力感測器如何進行測試。當待測扭力物件90與形變結構元件51相接觸，並沿著箭號方向進行扭轉時，待測扭力物件90的扭力τ施於形變結構元件51產生形變γ。其基本運算式為τ=G*γ。因壓電感測元件4或4’(如圖5B或圖6B所示)固定於形變結構元件51上，該形變量γ會等效傳遞於壓電感測元件4或4’，藉由壓電正電壓效應(direct piezoelectric effect)，即產生電壓輸出訊號。
舉例而言，形變結構元件51的材質可以是AISI 4340 Steel，其剪切剛性模數(G)=80.0Gpa，當施加待測扭力物件90的扭力τ為2000N*m，壓電感測元件4或4’較佳為約直徑20mm，此時其厚度較佳為約2mm。也就是設計時，壓電感測元件4或4’之最大圓周方向形變位移範圍應大於形變量γ。因此依據不同的形變結構元件之材料性質及其尺寸決定了量測扭力之範圍以及與待測扭力物體之結合介面，故可依測量方式及情況之需要予以不同設計。
綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，懇請 貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
11a-14a．．．壓電胚片
P1、P2．．．極化方向
20a-20f．．．電極環
21-26．．．壓電胚片之區段
2．．．環狀極化壓電片
4．．．壓電感測元件
31．．．陶瓷結構膠
33．．．電極片
34．．．結構膠
35．．．環狀陶瓷片
36．．．圓盤柱狀之陶瓷片
6．．．扭力感測器
51．．．形變結構元件
52．．．固定罩
521．．．固定罩之中空容納區
522．．．固定罩之貫穿區
90．．．待測扭力物件
60．．．螺栓
S．．．固定螺絲
圖1A與圖1B係顯示傳統的環狀極化壓電片之製程。
圖2A與圖2B係顯示本發明的環狀極化壓電片之製程。
圖3係顯示本發明的壓電感測元件之爆炸圖。
圖4係依據圖3，顯示本發明的壓電感測元件之立體圖。
圖5A係顯示本發明的扭力感測器之一實施例爆炸立體示意圖。
圖5B係依據圖5A的扭力感測器，顯示組裝後的剖面示意圖。
圖6A係顯示本發明的扭力感測器之另一實施例爆炸立體示意圖。
圖6B係依據圖6A的扭力感測器，顯示組裝後的剖面示意圖。
圖7係顯示本發明的扭力感測器之部分組件示意圖。
20a-20f‧‧‧電極環
21-26‧‧‧壓電胚片之區段
Claims (10)
- 一種環狀極化壓電片之製程，其包括：提供一壓電胚片，且該壓電胚片是經過成型加工為中空環狀之壓電胚片；在該中空環狀之壓電胚片之兩面分別以網印燒附至少一對電極環，將該中空環狀之壓電胚片等分成複數區段；以及將該中空環狀之壓電胚片放入高溫矽油中，對各區段進行高壓極化，使得該中空環狀之壓電胚片之極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向。
- 如申請專利範圍第1項所述之環狀極化壓電片之製程，其中網印燒附至少一對電極環，實質上係網印燒附三對電極環。
- 如申請專利範圍第2項所述之環狀極化壓電片之製程，其中該至少一對電極環，實質上係至少一對銀電極環，且在完成各區段之高壓極化之後，進一步除去所有的電極環，以形成該環狀極化壓電片。
- 如申請專利範圍第3項所述之壓電感測元件，其中完成除去電極環的該環狀極化壓電片為符合d15 等效壓電係數。
- 如申請專利範圍第1項所述之環狀極化壓電片之製程，其中該壓電胚片是鋯鈦酸鉛壓電胚片。
- 一種壓電感測元件，其包括：一環狀極化壓電片，其兩面分別印附有一低溫電極，且該環狀極化壓電片之極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向；二陶瓷結構膠，其分別位於該環狀極化壓電片之上與下；二電極片，其分別位於該二陶瓷結構膠之上與下，藉由加壓該二陶瓷結構膠可使該二電極片與該環狀極化壓電片彼此貼附；二結構膠，其分別位於該二電極片之上與下；一環狀陶瓷片，其位於該二結構膠其中之一者之上；以及一圓盤柱狀之陶瓷片，其位於該二結構膠其中另一者之下。
- 一種壓電感測元件，其包括：一環狀極化壓電片，其兩面分別印附有一低溫電極，且該環狀極化壓電片之極化方向為順時針或逆時針垂直於環截面的方向；二陶瓷結構膠，其分別位於該環狀極化壓電片之上與下；二電極片，其分別位於該二陶瓷結構膠之上與下，藉由加壓該二陶瓷結構膠可使該二電極片與該環狀極化壓電片彼此貼附；二結構膠，其分別位於該二電極片之上與下；一環狀高摩擦係數材料片，其位於該二結構膠其中之一者之上；以及一圓盤柱狀之高摩擦係數材料片，其位於該二結構膠其中另一者之下。
- 如申請專利範圍第6或7項所述之壓電感測元件，其中該環狀極化壓電片為符合d15 等效壓電係數。
- 一種扭力感測器，其包括：一如申請專利範圍第6或7項所述之壓電感測元件；一形變結構元件，其用以接受一待測扭力物件之施力，且該形變結構元件位於該壓電感測元件之上或下；以及一固定罩，其具有一中空容納區與一貫穿區，該壓電感測元件與該形變結構元件係位於該中空容納區，且該貫穿區係可容納該待測扭力物件，以使該待測扭力物件與該形變結構元件相接觸。
- 如申請專利範圍第9項所述之扭力感測器，該固定罩、該形變結構元件及該壓電感測元件係利用第二結構膠，或利用螺栓使其彼此達成固定。
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