专利名称：压电陶瓷弯曲变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电陶瓷弯曲变换器，它具有一个扁平的支承体和一个在该支承体的至少一侧上敷设的极化压电陶瓷，该压电陶瓷包括铅、锆、钛，其中，支承体的热膨胀系数与极化压电陶瓷的热膨胀系数相适配。
这样一种弯曲变换器例如已由国际申请WO 96/41384公开。建议采用玻璃或压电陶瓷本身作为支承体的材料。
前述在一扁平支承体上敷设压电陶瓷的压电陶瓷弯曲变换器优选用于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。弯曲变换器有许多技术用途。例如可作为喷墨打印机的压电印刷头，作为盲人用读取器中盲文(Braille-Zeilen)行的调节元件，作为纺织机械或阀中的调节元件。
恰恰是当应用在阀中，尤其是气动阀中时，弯曲变换器的支承体和压电陶瓷的热膨胀系数特别适合如前言所述相互适配。因此在这样一种应用中，基于支承体和压电陶瓷不同膨胀系数的即便是很小的几个μm/10°K的热固有弯曲度也不再能够忍受。因为弯曲变换器在温度变化时这样一个很小的热固有弯曲度也可能会导致，不再能保证例如阀的关闭。
含有铅、锆和钛的压电陶瓷(也称为PZT压电陶瓷)的热膨胀系数根据极化度和用于控制的电场的方向在-5和+6·10-6/K之间摆动。因此，视不同的生产方式并通过对PZT陶瓷的控制，PZT陶瓷的热膨胀系数会有不同。与之相反，一个PZT压电陶瓷各成分的不同重量含量却仅仅会导致压电陶瓷的热膨胀系数在±0.5·10-6/K之间波动。
若按照国际申请WO 96/41384 A1采用玻璃作为制造支承体的材料，视压电陶瓷的极化，压电陶瓷的热膨胀系数与玻璃的热膨胀系数之间的不同仍然会达到这样一种程度，即，对于为了将这样一个弯曲变换器用在一个阀中、尤其是一个气动阀中获得所期望的热固有弯曲度而言，这种不同程度是不能够忍受的。这同样适用于将压电陶瓷作为支承体材料的情况，因为通过对活性层的PZT压电陶瓷的极化，PZT压电陶瓷的热膨胀系数会与支承体的热膨胀系数不同。
本发明要解决的技术问题是提供一种与现有技术中的压电陶瓷弯曲变换器相比较有更小热固有弯曲度的压电陶瓷弯曲变换器。
上述技术问题按照本发明的第一种可选方案是这样来解决的，即，支承体由一种镊/钴/铁合金制成，其中，镊的重量百分比含量为28-30％，钴为16-18％，从碳、锰、硅元素组中选出的重量百分比含量为0-3％的至少一种元素，其余的为铁。
上述技术问题按照本发明的第二种可选方案是这样来解决的，即，支承体由一种镊/铁合金制成，其中，镊的重量百分比含量为40-44％，从钴、铬、碳、锰、磷、硫、硅和铝元素组中选出的重量百分比含量为0-3％的至少一种元素，其余的为铁。
上述技术问题按照本发明的第三种可选方案是这样来解决的，即，支承体由一种半导体材料制成，其中，硅的重量百分比含量为10-55％，锗为45-90％，其余的为示踪元素。在此，示踪元素的含量应尽可能低。
本发明是基于如下考虑，即，一种PZT压电陶瓷与其组成成分无关在制造完成的弯曲变换器中具有在4-5·10-6/K之间的热膨胀系数。此外，在这个范围内的每个热膨胀系数值通过支承体材料相应的成分组成可得到补偿。通过调节一种镊/钴/铁合金中镊和钴以及上述其它可选添加成分的重量百分比含量，可以实现将支承体材料的热膨胀系数调节到与PZT压电陶瓷的热膨胀系数相一致。
当然，也可通过选择在一种镊/铁-合金中的镊以及上述其它可选添加成分的重量百分比含量，来实现这一点。
最后，还可以通过调节在一种含硅锗的半导体材料中的硅和锗以及可能剩余的示踪元素的重量百分比含量，来实现这一点。
通过如权利要求1至3中所述那样选择支承体材料各成分的含量，支承体材料的热膨胀系数可调节到PZT压电陶瓷热膨胀系数的波动范围内。由此在很大程度上使PZT压电陶瓷在极化状态下的热膨胀系数与支承体材料的热膨胀系数相一致。
下面借助唯一一张附图
对本发明的一实施方式予以详细说明。
该附图为一种压电陶瓷弯曲变换器的示图。
图中所示压电陶瓷弯曲变换器1具有一个支承体2和一个敷设在其一侧上的铅-锆-钛压电陶瓷层3。该压电陶瓷3上被敷设有一个面向支承体2的内部电极5和一个外部电极6。这两个电极5和6作为银-钯金属化层涂覆在压电陶瓷3面上。
铅-锆-钛压电陶瓷3通过电极5和6被极化。然后可通过在内电极5和外电极6之间加设一个电压来控制压电陶瓷3。支承体2由一种镊/钴/铁合金制成，该合金含有重量百分比为28.5％的镊，18％的钴，0.25％的锰和0.25％的硅以及剩余的铁。
为实现内部电极5的电接触，在支承体2的自由端上粘接有一铜片8，它部分地安插在支承体2和内部电极5之间。该铜片8可以方便地实现与连接导线10的钎焊接触。
为了使图示基于仅在一侧敷设压电陶瓷3也称为单变体(unimorph)的弯曲变换器1工作，在连接导线10上加载一个电位。外部电极6则接地或被设置在零电位上。
为图示清晰起见，在权利要求2和3中所述的用于支承体2的材料没有在其它附图中示出。
权利要求
1.一种压电陶瓷弯曲变换器(1)，它具有一个扁平的支承体(2)和一个在该支承体(2)的至少一侧上敷设的极化压电陶瓷(3)，该压电陶瓷包括铅、锆、钛，其中，支承体(2)的热膨胀系数与极化压电陶瓷(3)的热膨胀系数相适配，其特征在于，所述支承体(2)由一种镊/钴/铁合金制成，其中，镊的重量百分比含量为28-30％，钴为16-18％，从碳、锰、硅元素组中选出的重量百分比含量为0-3％的至少一种元素，其余的为铁。
2.一种压电陶瓷弯曲变换器(1)，它具有一个扁平的支承体(2)和一个在该支承体(2)的至少一侧上敷设的极化压电陶瓷(3)，该压电陶瓷包括铅、铬、钛，其中，支承体(2)的热膨胀系数与极化压电陶瓷(3)的热膨胀系数相适配，其特征在于，所述支承体(2)由一种镊/铁合金制成，其中，镊的重量百分比含量为40-44％，从钴、铬、碳、锰、磷、硫、硅和铝元素组中选出的重量百分比含量为0-3％的至少一种元素，其余的为铁。
3.一种压电陶瓷弯曲变换器(1)，它具有一个扁平的支承体(2)和一个在该支承体(2)的至少一侧上敷设的极化压电陶瓷(3)，该压电陶瓷包括铅、锆、钛，其中，支承体(2)的热膨胀系数与极化压电陶瓷(3)的热膨胀系数相适配，其特征在于，所述支承体(2)由一种半导体材料制成，其中，硅的重量百分比含量为10-55％，锗为45-90％，其余的为示踪元素。
全文摘要
一种压电陶瓷弯曲变换器(1)，它具有一个扁平的支承体(2)和一个在该支承体(2)的至少一侧上敷设的极化了的铅－锆－钛压电陶瓷(3)。为了使压电陶瓷弯曲变换器有很小的热固有弯曲度，按照本发明，采用一种镊/钴/铁合金，一种镊/铁合金和一种硅/锗半导体材料作为支承体(2)的材料。
文档编号B41J2/045GK1524300SQ01807681
公开日2004年8月25日 申请日期2001年4月3日 优先权日2000年4月4日
发明者赫伯特·霍夫曼, 迈克尔·里德尔, 安德烈亚斯·施米德, 里德尔, 亚斯 施米德, 赫伯特 霍夫曼 申请人:西门子公司