壓電式彎曲能量轉換器的製作方法

2023-05-26 17:28:46

專利名稱：壓電式彎曲能量轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電式彎曲能量轉換器，該能量轉換器具有由纖維強化熱固塑料構成的支承層，並具有至少單面熱粘在支承層上的壓電陶瓷層。
這種彎曲能量轉換器有例如通過EP 0 542 772 B1、DE 196 20 826 B2和DE 30 46 535 A1為公眾所知的。在EP 0 542 772 B1和DE 30 46 535 A1中採用石墨作為纖維材料。在DE 196 20 826 C2中採用了另一種纖維材料玻璃。而壓電陶瓷則是例如一種鉛-鋯酸鹽-鈦-陶瓷。
上述形式的壓電式彎曲能量轉換器主要用於間接的或交互的壓電效應，即將電能轉換成機械能。彎曲能量轉換器有著大量技術上的應用。這些應用有，如用於噴墨式印表機的壓電式列印頭，用於麥克風或喇叭的音頻接收器或發生器，用於測量加速度或壓力的傳感器，用於盲人閱讀機中的布萊葉-盲字行、紡織機械、氣動閥、自動記錄測量儀或非接觸式表面測量儀器的定位元件。
按照EP0 455 342 B1和EP 0 468 796 A1，一種彎曲能量轉換器由分層結構構成。在此為了改善機械穩定性或為了更好地將電能轉換成機械能在支承層上鍍了壓電陶瓷。為了電接通，必要時在壓電陶瓷兩面都配有由導電材料製成的平膜式電極。
根據應用情況可以在支承層單面或雙面按上述的層序塗上塗層。按照DE 34 34 726 C2也可以疊加多層含有電極的壓電陶瓷。根據壓電陶瓷的層數將壓電式彎曲能量轉換器稱之為單層、雙層、三層或統稱為多態壓電式彎曲能量轉換器。
在DE 43 27 265 C1和DE 40 25 436 A1中壓電式彎曲能量轉換器分別具有電絕緣支承層。通過採用電絕緣支承層，雙態壓電式彎曲能量轉換器能夠使面對支承層的壓電陶瓷面或位於支承層上的內部電極位於不同的電位。由此可以使彎曲能量轉換器的控制僅僅在位於內部的、與支承層相互絕緣的內部電極面上進行，而外部電極位於零電位或接地。通過這一措施使這種壓電式彎曲能量轉換器成為防觸電的能量轉換器。
採用纖維強化熱固塑料作為支承層材料具有易於加工和安全加工的優點。熱固塑料例如可以加工成所謂的預浸帶(尚未硬化的、軟的並含有預浸制的纖維的毛坯)形狀。該預浸帶可以採用與壓電陶瓷相類似的形狀。通過微壓預浸帶溼潤壓電陶瓷表面以及其上的電極並由此將它們粘接。通過密封加熱處理，預浸帶不可逆地硬化成為熱固塑料，這樣我們就以簡單的方法得到了耐用且穩定的彎曲能量轉換器各部件的連接。如果使用金屬支承層，則會給彎曲能量轉換器的構造帶來很多困難。因此，這種彎曲能量轉換器疊放的最大問題首先是壓電陶瓷-金屬材料一起使用時所帶來的問題。而在採用纖維強化熱固塑料時則不會出現這些問題。
如果需要防觸電的彎曲能量轉換器，則由於石墨的導電性而排除將其作為纖維材料的可能。因此必須使用玻璃並且採用玻璃纖維強化熱固塑料作為支承層。但是使用玻璃纖維使彎曲能量轉換器的偏轉受到限制。用玻璃纖維強化熱固塑料作支承層的彎曲能量轉換器在相同的工作電壓下，比用石墨纖維強化塑料作支承層的彎曲能量轉換器據有更小的偏轉。
本發明的目的在於，提供上述形式的壓電式彎曲能量轉換器，該能量轉換器相對於現有技術的具有纖維強化熱固塑料支承層的彎曲能量轉換器具有更強的偏轉能力。
按照本發明實現的上述形式的彎曲能量轉換器，其纖維材料的熱膨脹係數小於-0.5*10-6/K。
本發明基於如下考慮，具有石墨纖維強化熱固塑料支承層的彎曲能量轉換器比具有玻璃纖維強化熱固塑料支承層的彎曲能量轉換器具有更強的偏轉能力，而這與熱膨脹係數有關。玻璃的熱膨脹係數為5至6*10-6/K。而石墨的熱膨脹係數為-0.5*10-6/K。即玻璃具有正的熱膨脹係數，而石墨的熱膨脹係數為負值。
本發明還進一步基於如下考慮，具有纖維強化熱固塑料支承層的壓電式彎曲能量轉換器的製造通常採用預浸帶。如上所述，將預浸帶鋪放在壓電陶瓷上，通過壓力壓合併在加熱處理過程中在熱固塑料硬化的條件下進行熱粘接，支承層由此牢固地與壓電陶瓷連接。由於壓電陶瓷在垂直於極化方向上具有正的溫度變化過程，在採用具有負的溫度變化過程的纖維時，壓電陶瓷在加熱處理期間在一定程度上被施加預應力。由於熱固塑料此時已經硬化，故壓電陶瓷的預應力在加熱處理以後仍將保持。通過第一批試驗可以推測，由預應力引起的壓電陶瓷晶格結構的扭曲起到加強極化的作用。與支承層熱粘接的壓電陶瓷在相同的工作電壓下比沒有與這種支承層粘接的壓電陶瓷顯示出更大的縱向膨脹或收縮。
當纖維材料的熱膨脹係數小於-3*10-6/K時，壓電式彎曲能量轉換器顯示出特別強的偏轉能力。
原則上，所有可能在極化以後在電場中顯示出壓電效應的陶瓷都適於作為壓電陶瓷。鉛-鋯酸鹽-鈦-氧化陶瓷通過其組成部分能適合於各種不同的要求，當然更適合作壓電陶瓷。通過施加均勻的電場，可以在壓電陶瓷中產生對於產生壓電效應必需的極軸。
原則上，所有能夠強化為熱固塑料並具有所需熱膨脹係數的材料都適於作為纖維材料。但是纖維材料優選採用聚醯胺。聚醯胺族由於具有高強度，高彈性以及良好的形狀穩定性而尤顯突出。
在本發明特別具有優點的結構中，所述聚醯胺是一種芳基醯胺，即芳香聚醯胺。除了高強度，高彈性以及良好的形狀穩定性以外，聚醯胺族的代表-芳基醯胺還具有良好的熱穩定性，此外它還具有較小的膨脹性。適合的芳基醯胺有如杜邦公司提供的Kevlar牌芳基醯胺或者AkzoNobel公司的Twaron牌芳基醯胺。
如果芳基醯胺具有100至300Gpa彈性模量，它的優點就更加明顯。這種芳基醯胺例如有由Akzo Nobel公司所提供的Twaron牌1056型芳基醯胺。
在本發明另一具有優點的結構中，纖維單向地排列並平行於給定的支承層的縱向延伸方向。通過這種方法熱粘接預浸帶與壓電陶瓷時，會在縱向上產生支承層收縮。當對電極施加電場時，壓電陶瓷層在其膨脹或收縮方向上被施以預應力。此外通過單向結構可以實現在支承層縱向上的最大彈性模量。可以基本上不考慮橫向效應。
當熱固塑料的單位面積質量在100至900g/m2之間時，可以實現更加優越的特性。
環氧樹脂特別適合作為熱固塑料材料。預浸帶形式的纖維強化環氧樹脂能夠容易且低廉地加工成壓電式彎曲能量轉換器。
如果支承層中環氧樹脂的質量百分比為40至60％，對於支承層特性是特別有益的。由此能夠同時得到足夠高的硬度和足夠高的彈性。
如果支承層是電絕緣的，則對於要求防觸電的壓電式彎曲能量轉換器的應用是有益的。
下面藉助於附圖以及示例詳細描述本發明的實施例。附圖中

圖1為壓電式彎曲能量轉換器結構的三維視圖，圖2為壓電式彎曲能量轉換器截面的放大圖。
其中相同的部件有相同的附圖標記。
圖1所示為一個雙態彎曲能量轉換器1，它具有支承層2和位於支承層上的第一和第二壓電陶瓷層4，5。在這裡壓電陶瓷為鉛-鋯酸鹽-鈦-氧化陶瓷。支承層2為芳基醯胺纖維強化環氧樹脂。採用Akzo Nobel公司銷售的Twaron牌1056型作為纖維材料。這種芳基醯胺的熱膨脹係數為-3.5*10-6/K。採用環氧樹脂預浸帶作為支承層基本材料，它的單位面積質量為167.4g/m2，所含樹脂的質量百分比為46.4％。預浸帶通過加熱處理與壓電陶瓷層4，5熱粘接並硬化。
此外，彎曲能量轉換器1具有電連接線6，它們分別通過釺焊與設置在支承層2上的電極7和8電連接。壓電陶瓷層4和5在兩面都具有平面電極9，11和10，12。在這裡沒有詳細示出，支承層2上的電極7和8，在支承層2上不是扁平的，而是作為織物或平行的接片構造的，在支承層2上敷有壓電陶瓷層4和5。因此在加熱處理預浸帶時尚未硬化的環氧樹脂通過電極7和8流到電極11和12，並在硬化時通過電極將支承層2與壓電陶瓷層4和5進行粘接。壓電陶瓷層4和5的電極9，10，11，12分別由非晶金剛石聚合物構成扁平塗層。由於芳基醯胺纖維的負溫度變化過程，壓電陶瓷在熱粘接過程中被施加預應力。
在圖2中以放大圖示出了圖1所示彎曲能量轉換器1的截面。這裡可以再次看到壓電陶瓷層4和5以及放置在其上的電極9，11和10，12。放置在支承層2上的電極7，8由在支承層2縱向上延伸的接片13構成。可以明顯看出，芳基醯胺纖維14是單向的，並按支承層2的縱向放置。通過這種方法在預浸帶與壓電陶瓷層4和5熱粘接時，支承層2將在縱向上收縮。當對電極施加電場時，壓電陶瓷層4和5即在其膨脹或收縮方向上被施以預應力。此外，通過芳基醯胺纖維14的單向放置可以在支承層2的縱向上得到最大彈性模量。可以基本上不考慮橫向效應。
在將圖1所示的彎曲能量轉換器1與結構上完全相同、但採用由玻璃纖維強化環氧樹脂構成支承層的彎曲能量轉換器相比，在相同的工作電壓下，可測得高出60％的偏轉。工作電壓為200V。進行比較的彎曲能量轉換器的自由長度為38mm，厚度為0.75mm。
權利要求
1.一種壓電式彎曲能量轉換器(1)，它具有一由纖維(14)強化的熱固塑料構成的支承層(2)，和一至少單面熱粘在支承層(2)上的壓電陶瓷層(4，5)，其特徵為，該纖維材料的熱膨脹係數小於-0.5*10-6/K。
2.如權利要求1所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，所述纖維材料的熱膨脹係數小於-3*10-6/K。
3.如權利要求1或2所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，所述纖維材料為聚醯胺。
4.如權利要求3所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，所述聚醯胺為芳基醯胺。
5.如權利要求4所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，所述芳基醯胺的彈性模量在100至130Gpa之間。
6.如上述權利要求中任一項所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，採用纖維單位面積質量為100至900g/m2的熱固塑料。
7.如上述權利要求中任一項所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，所述支承層(2)在縱向上延伸，而所有纖維按單方向且平行於支承層的縱向設置。
8.如上述權利要求中任一項所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，所述熱固塑料為環氧樹脂。
9.如權利要求8所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，支承層(2)中環氧樹脂的質量百分比含量為40至60％。
10.如上述權利要求中任一項所述的壓電式彎曲能量轉換器(1)，其特徵在於，所述支承層(2)是電絕緣的。
全文摘要
一種壓電式彎曲能量轉換器(1),它具有一由纖維(14)強化的熱固塑料構成的支承層(2),並具有一至少單面熱粘在支承層(2)上的壓電陶瓷層(4,5),按照本發明,所採用的纖維材料的熱膨脹係數應小於－0.5*10
文檔編號G01B7/16GK1359542SQ00809716
公開日2002年7月17日 申請日期2000年4月25日 優先權日1999年5月4日
發明者麥可·裡德爾 申請人:西門子公司