专利名称：压电弯曲变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电弯曲变换器，它具有一至少一侧敷设在一支座上的压电陶瓷。
上述类型的压电弯曲变换器主要用来充分利用间接的或可逆的压电效应，亦即用于将电能转换成机械能。压电变换器有多种多样的技术应用。这些应用例如有喷墨打印机的压电印刷头、用于麦克风或扬声器的音频接收器或音频发生器、用于加速度测量或压力测量的传感器、用作盲文阅读器的布莱叶盲文行中的定位元件，用作纺织机械、气动阀、书写测量仪器或无接触式表面测量仪器的定位元件。
在欧洲专利文献EP 0 455 342 B1和欧洲专利申请EP 0 468 796 A1秘书了按层状结构构造的弯曲变换器。为了改善机械稳定性或为了更好地将电能转化成机械能，将所述压电陶瓷敷设在一个支座上。为了实现电接触，可在该压电陶瓷两侧设置由一种导电材料敷设成的平面电极。
根据应用的不同，可在该支座的一侧或两侧设置上述涂层。按照德国专利文献DE 34 34 726 C2所述，还可将多层压电陶瓷连同电极相互层叠在一起。根据压电陶瓷不同的层数，分别将弯曲变换器称为单形态、双形态、三形态弯曲变换器，以此类推，或者将它们统称为多形态压电弯曲变换器。
本发明要解决的技术问题在于提供一种压电弯曲变换器，它具有良好的机械偏转性能，亦即在相对较低的工作电压下能有很高的偏转。
上述技术问题按照本发明是通过这样一种压电弯曲变换器来解决的，即，所述支座包括一其热膨胀系数小于2×10-6/K的玻璃，且压电陶瓷层热粘接在支座上。
所述支座要么本身由玻璃制成，要么由一种用玻璃纤维强化的热固性塑料制成。
广泛的试验研究表明，相对于热膨胀系数大于5×10-6/K的普通玻璃而言，采用这样一种玻璃可使弯曲变换器在相同工作电压下有更高的偏转。有理由相信更好的偏转性能与更低的热膨胀系数有关。
由于在采用纤维强化的热固性塑料时，热膨胀系数主要取决于所采用的纤维。因此，在采用上述玻璃时所述支座具有比压电陶瓷更低的热膨胀系数，在短路状态下，该压电陶瓷垂直于极化方向热膨胀，且其热膨胀系数在4×10-6/K和6×10-6/K之间。在将压电陶瓷层热粘接在支座上的热处理中，该压电陶瓷在冷却后保持一定的预应力。该预应力引起压电陶瓷的晶格结构扭曲，从而起到支持极化的作用。与支座热粘接在一起的压电陶瓷(包括所述玻璃)表明，其在工作电压相同的情况下比没有与这种支座粘接在一起的压电陶瓷具有更高的纵向膨胀或纵向收缩。
一种热膨胀系数小于2×10-6/K的玻璃例如是Owens Corning AdvancedMaterials公司的、商品名称为“S2-Glass”的玻璃。“S2-Glass”是OwensCorning公司的注册商标。这种S2玻璃的热膨胀系数为1.6×10-6/K。当然也可以采用其它类型的玻璃，例如石英玻璃，只要它们的热膨胀系数处于应用压电弯曲变换器所给定的范围内即可。
所述支座优选地包括一玻璃纤维强化的热固性塑料。其优点是便于制造和价格低廉。为此可采用一种所谓的预浸树脂带，亦即一种尚未完全固化的、较软的、预浸渍的且包含纤维的毛坯。该预浸带连同敷设的压电陶瓷涂层被松散地放入一个合适的压模中。通过轻轻的挤压，该预浸带浸润压电陶瓷的表面以及敷设其上的电极并与之粘接。通过封闭式热处理，该预浸带最后不可逆地完全硬化成热固性塑料。由此以简便的方式获得了弯曲变换器部件间持久而稳定的连接。
此外，当用芳族聚酰胺制成的纤维来进一步强化热固性塑料时也是具有优点的。芳族聚酰胺除了能提高支座的机械强度外，通过装入芳族聚酰胺纤维还可进一步改善压电弯曲变换器的机械性能。这是因为芳族聚酰胺具有小于-0.5×10-6/K的负热膨胀系数。由此可提高按照这种制造方法制出的压电陶瓷的预应力。适合的芳族聚酰胺例如有Dupon公司的商标为“Kevlar”的芳族聚酰胺，或者Akzo Nobel公司的商标为“Twaron”的芳族聚酰胺。
在本发明的另一种优选实施方式中，单向设置纤维并使之平行于支座的预定纵向延伸。由此在将预浸带与压电陶瓷层热粘接时可使压电陶瓷沿纵向获得校准的预应力。因此，在有电场加在电极上时，压电陶瓷会沿其膨胀或收缩方向而被加以预应力。此外，通过单向取向，支座可在纵向上得到最大的弹性模量。而横向效应基本上可忽略不计。
作为用于制造热固性塑料的材料比较有利地是采用环氧树脂。通过采用一种纤维强化的环氧树脂来构造预浸带可容易地并廉价地加工出压电弯曲变换器。
当环氧树脂在支座中所占质量份额在25％至45％时，支座可获得特别有利的特性，亦即能同时获得足够的硬度和足够高的柔韧性。
下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明，附图中
图1为压电弯曲变换器结构的立体示图；图2为压电弯曲变换器断面的放大示图。
其中，对相同的部分用相同的附图标记标示。
图1示出一个双形态弯曲变换器1。它具有一个支座2和敷设在其上的第一压电陶瓷层4和第二压电陶瓷层5。该压电陶瓷在此是一种铅-锆酸盐-钛-氧化物陶瓷。该支座2是一种用玻璃纤维强化的环氧树脂，而该纤维玻璃则是0wens Corning高级材料公司的S2-玻璃，其热膨胀系数为1.6×10-6/K。除此之外还添加有芳族聚酰胺制成的纤维，其中，这两种纤维的重量比在40∶60和60∶40之间。而以往则常采用一种预浸环氧树脂带作为支座的原材料，该预浸带经热处理后与压电陶瓷层4，5热粘合并完全硬化。
弯曲变换器1上还具有电连接线6，它们分别通过一个钎焊触点与设置在支座2上的电极7和8电连接。在所述压电陶瓷层4，5的两侧分别设置有平面电极9、11或10、12。在此，该支座2的在图中未详细示出的电极7和8在支座2的敷设有压电陶瓷层4、5的部位上不是平面的，而是呈网状织物或者相互平行的板条的形式。因此，在对预浸带进行热处理时，尚未完全硬化的环氧树脂会通过电极7和8流到电极11和12上，并在完全硬化之后通过电极使支座2与压电陶瓷层4、5粘接起来。压电陶瓷层4、5的电极9、10、11和12分别设计为碳聚合物的平面涂层。由于支座2的热膨胀系数比压电陶瓷的更低，压电陶瓷在热处理时会被加以预应力。
图2为图1所示弯曲变换器1断面的放大示图。从该图中可看到压电陶瓷层4、5以及敷设其上的电极9、11与10、12。敷设在支座2上的电极7、8设计为沿支座2的纵向相互平行延伸的板条13。可以清楚看出，玻璃纤维14和芳族聚酰胺纤维15单向定向，亦即沿支座2的纵向定向。这样，在预浸带与压电陶瓷层4、5热粘接时，压电陶瓷沿支座2的纵向会被加以预应力。通过纤维14、15的单向定向，支座2在其纵向会有最大的弹性模量。而横向效应则可忽略不计。
权利要求
1.一种压电弯曲变换器(1)，它具有一个包含一种玻璃的支座(2)和一层至少一侧热粘接在该支座(2)上的压电陶瓷层(4，5)，其中，该玻璃的热膨胀系数小于2×10-6/K。
2.如权利要求1所述的压电弯曲变换器(1)，其中，所述支座(2)包括一个由所述玻璃制成的纤维(14)强化的热固性塑料。
3.如权利要求1或2所述的压电弯曲变换器(1)，其中，所述热固性塑料还用芳族聚酰胺纤维(15)来进一步强化。
4.如权利要求2或3所述的压电弯曲变换器(1)，其中，所述支座(2)沿纵向延伸，并且所述纤维(14，15)单向且平行于该纵向地设置。
5.如权利要求2至4中任一项所述的压电弯曲变换器(1)，其中，所述热固性塑料是一种环氧树脂。
6.如权利要求5所述的压电弯曲变换器(1)，其中，所述环氧树脂在所述支座(2)中所占的重量百分比在25％至45％之间。
全文摘要
本发明涉及一种压电弯曲变换器(1)，它具有一个包含一种玻璃的支座(2)和一层至少一侧热粘接在该支座(2)上的压电陶瓷层(4，5)，按照本发明，所采用的玻璃的热膨胀系数小于2×10
文档编号H04R17/00GK1437771SQ01811557
公开日2003年8月20日 申请日期2001年6月18日 优先权日2000年6月21日
发明者迈克尔·里德尔 申请人:西门子公司