專利名稱：壓電信號生成器的制作方法
壓電信號生成器
背景技術：
本發(fā)明一般涉及通信技術，并具體地涉及壓電信號生成器，S卩，使用壓電元件來激活用于生成電磁信號的發(fā)射器的裝置。在本領域中，例如在US4612472、US6 630894、DE2314420、DE2939440和EP1217742中，已經(jīng)提出了各種這樣的裝置。這樣的裝置包括至少一個壓電元件，其與發(fā)射器連接，使得由壓電元件產(chǎn)生的電流將致動發(fā)射器，并使其生成并發(fā)送電磁信號到與發(fā)射器遠離的接收器。根據(jù)具體的需要，電磁信號的波長可以處于可見范圍內(nèi)或射頻范圍內(nèi)，例如在超短波范圍內(nèi)，且發(fā)射器和接收器之間的距離可以在幾厘米和很多米或者甚至數(shù)公里之間變化。然而，很少有這樣的產(chǎn)品(如果有的話)已經(jīng)帶來商業(yè)上可行的產(chǎn)品，且大多數(shù)現(xiàn)有技術公開并沒有規(guī)定被假定為能夠致動發(fā)射器的壓電元件的性質(zhì)。當諸如EP1217742中那樣給出了與壓電元件有關的細節(jié)時，以彎曲條帶形式的商業(yè)可得的雙壓電晶片(bimorph)被提出以提供通常在若干mj (毫焦耳(milli joule);等同于mV.秒)范圍內(nèi)的充足電能。這樣的壓電元件的實質(zhì)變形是發(fā)射器的致動所需的，當然，其有損于這樣構建的裝置的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個主要目的是提供上面提到的類型的壓電信號生成器，其中在產(chǎn)生充足的電能來致動發(fā)射器的同時，限制壓電元件的變形。此目的以及根據(jù)下面給出的說明書而顯而易見的進一步的優(yōu)點，將由如權利要求1中所限定的壓電信號生成器實現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實施例如在權利要求2-9中所限定的。本發(fā)明進一步涉及一種如權利要求10中所規(guī)定的信令系統(tǒng)。令人驚奇的 是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由合適壓電元件的受制和受限的變形所產(chǎn)生的電能，能夠產(chǎn)生充足的電能以用于能量敏感發(fā)射器的致動。一般來說，根據(jù)本發(fā)明的信號生成器包括至少一個壓電元件，其與發(fā)射器操作連接，發(fā)射器轉(zhuǎn)而能夠從壓電元件的致動所產(chǎn)生的電流生成能夠由與生成器遠離的接收器所無線接收的電磁信號。根據(jù)本發(fā)明的壓電信號生成器包括至少一個壓電元件，其與發(fā)射器操作連接，SP以這樣的方式連接，使得由壓電元件生成的電能將使發(fā)射器產(chǎn)生和發(fā)送電磁信號。例如在上面引用的US6630894中所說明的，這樣的發(fā)射器在本領域中是已知的，且不需要詳細的說明。顯然，壓電元件，即對于其操作所需的手動壓力，是根據(jù)本發(fā)明的信號生成器中的發(fā)射器的唯一能量源。接收器的細節(jié)取決于從發(fā)射器接收到的電磁輻射。同樣，這樣的接收器在現(xiàn)有技術中是公知的，且本文中且不需要詳細的討論。例如從EP0210386和EP0576400中，根據(jù)本發(fā)明的適于使用的類型的壓電元件是已知的，但是需要在下面更加詳細地說明一些具體特性。一般來說，這樣的元件包括附著于由導電材料制成或涂有導電材料的載體層的壓電陶瓷層，導電材料諸如包括鋼、鎳、銀或合金的鐵。載體層和其附著的壓電陶瓷層必須能夠具有對于生成通過通常在約I至約20帕斯卡的范圍內(nèi)的手動壓力激活發(fā)射器所需電能來說所需要的反復可逆變形，并且這樣的反復變形必須不對壓電陶瓷層，或不對其能量生成能力造成損壞。合適的產(chǎn)品是商業(yè)可得的，且通常包括圓形金屬盤，例如由鋼制成的，具有約0.05-0.5_范圍內(nèi)的厚度，優(yōu)選地從約0.1-ο.3_，帶有通常與金屬盤具有相同范圍內(nèi)的厚度的、充當壓電陶瓷層的載體層的壓電陶瓷層的粘附層。典型地，陶瓷層的厚度與其載體層的厚度大約是相同的。雖然為了結構簡單的原因，圓形形狀是優(yōu)選的，但這不是關鍵的，并且如果定位層和間隙層被適當?shù)爻尚螢樘峁┹d體層的外圍支撐，那么其他圓形或多邊形結構將是適當?shù)摹A形盤的直徑或非圓形狀的最大直徑可以在例如約5至約50mm之間變化。為了本發(fā)明的目的，壓電陶瓷層的變形被保持在謹慎選擇的限度內(nèi)是必要的。雖然在涉及元件的操作壽命的范圍內(nèi)，最小變形看起來并不關鍵，但很顯然這樣的最小限度將取決于激活發(fā)射器所需的最小壓電功率。另一方面，最大變形被認為是關鍵的且需要謹慎的限制。根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的限制可以通過限制間隙的厚度來實現(xiàn)，該間隙充當針對信號生成器激活時發(fā)生的變形的程度的阻止器。顯然，必須選擇壓電陶瓷層的載體層，使得壓電陶瓷層將被充足變形以生成激活發(fā)射器所需的電能。一般來說，根據(jù)本發(fā)明的間隙厚度將在約0.05至約0.50mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在從約0.1至約0.25mm的范圍內(nèi)。適于載體層的金屬的優(yōu)選示例為不銹鋼(例如SUS304)、FeN1-合金組合、黃銅合金和具有類似物理和化學性質(zhì)的其他金屬。定義
本文所使用的術語“合成聚合物”意在包括通常為電絕緣且常規(guī)用于生產(chǎn)諸如印制電路板的疊層結構的領域中的大分子物質(zhì)，諸如聚酯、聚醚、聚碳酸酯、聚鏈烷等材料。術語“導電的”指的是固有導電的材料，諸如金屬或石墨，或通過涂布已經(jīng)致使導電的材料。典型的金屬包括鋼、鎳、鉻、鋁、鎂、銅、銀、金和這樣的金屬的合金。術語“可逆的變形”指的是具有其所附著的壓電陶瓷材料的載體層形狀的可逆變化，并且本文中在最大變形部位處測量的長度單位方面表達該術語，即在靜止時和在變形時，載體層最大變形發(fā)生的那部分的位置之間的距離。術語“壓電陶瓷材料”指的是展示壓電性質(zhì)并可通過例如陶瓷制造中使用的方法使其附著于載體的晶體材料。這樣的材料在來自不同生產(chǎn)商的不同商標或商標名下在商業(yè)上可得，并且無需進一步的討論。本文中的術語“粘合劑”指的是制造用于電氣和電子領域中使用的多層結構的層疊領域中使用的材料。具有或不具有溶劑的熱塑性聚合物及其混合物是典型的示例。本文中當與數(shù)字語句相結合使用時，術語“約”意在包括±30%的誤差容限。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考本發(fā)明優(yōu)選但非限制性的實施例同時參照附圖來更為詳細地解釋和說明本發(fā)明，其中:


圖1是根據(jù)本發(fā)明的信令系統(tǒng)的框 圖2是壓電元件的主要構成的圖解分解截面視圖； 圖2A是當由手動壓力致動時，處于操作連接的圖2的元件的圖解截面視圖；以及 圖3是根據(jù)本發(fā)明的壓電信號生成器的圖解視 如圖1中所示，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括壓電信號生成器10，壓電信號生成器10包括一個或多個壓電元件12，該一個或多個壓電元件12產(chǎn)生用于致動發(fā)射器14的電流C，以便生成將被傳送到接收器16并被接收器16接收的電磁信號S。接收器16的性質(zhì)當然取決于由發(fā)射器14生成的電磁輻射的類型，即其是否是在無線電范圍內(nèi)，或在包括其IR和UV部分的視覺范圍內(nèi)。用于根據(jù)本發(fā)明使用的圖1的壓電元件12的構成的示例，被示意性地呈現(xiàn)為圖2中的分解視圖，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選壓電元件20的基本的構成層。它包括用于與導電層22的粘性連接的上層或頂層21。雖然這可以是完全由導電材料組成的層，但它也可以由具有用于接觸壓電陶瓷層23的相鄰部分的嵌入導電部分的介電材料組成，該壓電陶瓷層23轉(zhuǎn)而被附著連接到載體層242。壓電陶瓷層241與載體層242 —起形成諸如從各種制造商商業(yè)可得的壓電單元結構24。壓電單元結構24具有圓形盤形狀，且由具有用容納和緊密保持結構24的開口的定位層23所環(huán)繞。定位層23的上表面和下表面基本上與壓電單元結構24的上表面和下表面齊平。換言之，定位層23的厚度Tp與壓電單元24的厚度基本相同。元件20的下一層是接觸載體層242的另一個導電層25。同樣，如同上導電層22一樣，下導電層可以僅在用于接觸支撐部242和形成用于與發(fā)射器電連接器的引線的區(qū)域中是導電的。層26是間隙層，且通常由介電材料組成。如將是顯而易見的(參見圖3)，間隙層26的內(nèi)緣261比定位層23的對應內(nèi)緣231朝向間隙29的中心伸出更多。因而，載體層242被間隙層26在外圍支撐，轉(zhuǎn)而與可以是電介質(zhì)或金屬的基底層27粘性接觸。間隙29的厚度Te實質(zhì)上由層26的厚度所限定，且與層26的厚度相等。圖2A示出了當由從上面作用(元件20的下支撐在圖2A中被省略)的手動壓力P，例如由通常在約2至約20Pa范圍內(nèi)的手動壓力激活時，圖2在其操作關系中作為多個疊層的多層整體堆疊的所有層。因此，間隙層26頂部上的所有層將被變形，但一般不會被壓縮，且將由壓電陶瓷層241生成電流。要注意的是，為了圖示的目的，圖2和2A中層的厚度已被極大地夸大?，F(xiàn)實中，圖2和圖2A的整個堆疊通常將是具有實質(zhì)上不大于約Imm的厚度的薄層疊。而且，圖2、2A中所示出的比例不是現(xiàn)實的，而是用用圖示和理解。典型地，層25實質(zhì)上比它的兩個相鄰層23和26都要薄。因此，實際實踐中，實際上將通過間隙29的厚度，即通過間隙層26的厚度Te，來限制壓電陶瓷層241的彎曲變形。如從圖2、2A和3中所顯而易見的，保持單元24的定位層23中的開口是圓形的，且由邊緣231限定。間隙29進而也是圓的，且與保持壓電單元24的層23的圓形開口同心。顯然，當圖2中的間隙29由間隙層的總體遺直所形成，可由除了由間隙層的一個表面(當參考圖2時，為“上”表面)中的凹部所形成的間隙的位置之外具有更大厚度的層，來實現(xiàn)相同的變形限制功能。在這樣的情況下，該凹部將充當間隙，并具有適當?shù)纳疃萒e。優(yōu)選地，間隙29具有不大于約為定位層23厚度Tp —半的厚度Te，且通常在約0.1至約0.3mm的范圍內(nèi)。在該情境中要注意的是，由間隙層26內(nèi)表面或邊緣261對載體層242的外圍支撐是必要的。出于這個原因，間隙29的直徑必須不能超出載體層242的直徑。如果這些直徑是相等的，中間層25可以提供對于外圍支撐來說剛好充足的最小差異。然而，通常情況下，即使如上面所說明的，空間位移被間隙29所限制，間隙29的直徑將比載體層242的直徑稍微小，通常小約0.5至約2mm，優(yōu)選地小約1mm，以便在手動壓力P在其大部分平面上進行影響時，提供載體層242充分彎曲。由于同樣的原因，間隙層26的機械性質(zhì)必須是這樣的，以便在操作壓力P影響時不被壓縮，即，在操作條件下(通常地在室溫下)間隙層26的厚度Te的任何變化，當未暴露于操作壓力P的影響下時，必須低于其厚度的I %，優(yōu)選地低于其厚度的0.1 %。優(yōu)選地，所述壓電元件的所有構成應滿足此條件。圖3是壓電信號生成器30的圖解視圖。在頂視圖中示出了壓電元件31，以及僅將對應的定位層23和間隙層26的內(nèi)緣231和261 (參見圖2)以虛線示出，以圖示由間隙層26對載體層242的外圍支撐。事實上，直徑上的差異通常是很小的。如從圖3中示出的圖解電路中所顯而易見的，由壓電元件31生成的輸出電流被引向優(yōu)選形式的發(fā)射器的構成，即用于傳送信號到與信號生成器30遠離的接收器36的整流器32、電壓調(diào)節(jié)器33、電壓檢測單元34和微控制器單元35。根據(jù)本發(fā)明的信號生成器中使用的、具有限制的和預定的最大變形的壓電陶瓷層的以上公開的壓電元件，能夠在手動壓力P的單行程(one-stroke)操作中生成通常在約I至約IOOOyJ (微焦耳)范圍內(nèi)的電能，優(yōu)選生成至少約IOyJ的電能，上限被可由壓電生成的、且能夠借助于發(fā)射器生成可在技術上在顯著距離上傳送的信號的電量所限定。對于那些熟悉壓電開關領域的人來說顯而易見的是，上面的示例是說明性的并且不意在限制本發(fā)明。例如，雖然上面所示出的多層結構優(yōu)選地通過層疊方法由預成形層制成，但可以通過諸如鑄造或印制的片材成型方法來施加一些或所有層。
權利要求
1.一種壓電信號生成器(10 ;30)，包括至少一個壓電元件(12 ;20)，其與發(fā)射器(14;35)操作連接，所述發(fā)射器(14 ;35)能夠從由所述至少一個壓電元件的致動產(chǎn)生的電流(C)生成能夠由與所述信號生成器(10 ;30)遠離的接收器(16 ;36)所無線接收的電磁信號(S);其中所述至少一個壓電元件(20 ;31)包括附著于導電載體層(242)的壓電陶瓷層(241)，并且所述導電載體層(242)與所述附著的壓電陶瓷層(241) —起被具有厚度(Tp)的定位層(23)所保持；所述導電載體層(242)與所述附著的壓電陶瓷層(241) —起，能夠可逆變形；并且所述壓電元件(20 ;31)包括用于借助于具有使得K Tp的厚度(Te)的間隙(29)來限制所述可逆變形的間隙層(26 )。
2.根據(jù)權利要求1的信號生成器(10)，其中所述導電載體層(242)是由所述間隙層(26)外圍支撐的金屬盤(242)。
3.根據(jù)權利要求2的信號生成器(10)，其中所述電學壓電陶瓷層(241)和所述載體層(242)形成具有實質(zhì)上等于定位層(23)的厚度(Tp)的厚度的粘附單元(24)。
4.根據(jù)權利要求1-3的任意一項的信號生成器(10)，其中定位層的厚度(Tp)在約0.1mm至約I mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在從約0.2至約0.5 mm的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權利要求1-4的任意一項的信號生成器(10)，其中間隙(29)的厚度(Tg)在從約0.05mm至約0.5mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在約0.1至約0.25 mm的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1-5的任意一項的信號生成器(10),其中所述導電基底層(15)響應于在從約I至約20Pa的范圍內(nèi)的手動壓力，能夠進行所述預定的和限制的變形。
7.根據(jù)權利要求1的信號生成器(10)，其中所述壓電元件(20)是整體疊層結構，依次包括，覆蓋層(21);第一連接器層(22)，其與所述定位層(23)相鄰，用于接觸所述壓電陶瓷層(241);第二連接器層(25)，用于接觸所述導電載體層(242);所述間隙層(26)，被定位在所述第二連接器層(25)和至少一個基底層(27)之間。
8.根據(jù)權利要求2-7的任意一項的信號生成器(10)，其中所述金屬盤(242)具有基本上圓形的形狀，直徑在從約IOmm至約50mm的范圍內(nèi)，且與所述壓電陶瓷層(241)形成具有在從約0.1mm至約1.0mm的范圍內(nèi)的厚度的壓電單元(24)。
9.根據(jù)權利要求8的信號生成器(10)，其中所述定位層(23)的所述厚度(Tp)基本上與壓電單元(24)的厚度相同，并且其中所述間隙(29)具有基本上圓形的形狀，并與所述圓形盤同心，并且其中所述間隙(29)的直徑不大于所述單元(24)的所述直徑，并且，優(yōu)選地，比所述單元(24)的所述直徑小約0.5mm至約2.5mm。
10.一種信令系統(tǒng)，包括壓電信號生成器(10 ;30)和接收器(16 ;36)，其中所述壓電信號生成器(10 ;30)包括至少一個壓電元件(12;20)，其與發(fā)射器(14 ;35)操作連接，所述發(fā)射器(14 ;35)能夠從由所述至少一個壓電元件的致動產(chǎn)生的電流(C)生成能夠由所述接收器(16 ;36)所無線接收的電磁信號(S)，其中所述至少一個壓電元件(20 ;31)包括被附著于導電載體層(242)的壓電陶瓷層(241)，并且所述導電載體層(242)與所述附著的壓電陶瓷層(241) —起被具有厚度(Tp)的定位層(23 )所保持；所述導電載體層(242 )與所述附著的壓電陶瓷層(241)—起，能夠可逆變形；所述壓電元件(20 ;31)包括用于借助于具有使得Tg^ Tp的厚度(Te)的間隙(29)來緩沖所述可逆變形的間隙層(26)。
全文摘要
壓電信號生成器(10；30)，包括至少一個壓電元件(12；20),其與發(fā)射器(14；35)連接，能夠從由壓電元件的致動產(chǎn)生的電流(C)，生成能夠由與信號生成器(10；30)遠離的接收器(16；36)所無線接收電磁信號(S)，壓電元件(20；31)包括附著于導電載體層(242)的壓電陶瓷層(241)；壓電陶瓷層附著于載體層，且二者均被具有厚度(TP)的定位層(23)所保持，并都能夠可逆變形，該可逆變形由定位層(23)的厚度(TP)所預定，并被限于該厚度(TP)；此外，壓電元件(20；31)包括間隙層(26)，用于緩沖具有附著的壓電陶瓷層(241)的載體層(242)的可逆變形；間隙(29)具有使得TG≤TP的厚度(TG)。
文檔編號H03K17/96GK103201867SQ201180053117
公開日2013年7月10日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權日2010年11月4日
發(fā)明者D.馬特, L.M.梅利, V.西瓦舒布拉馬尼安, T.加特曼, M.胡茨勒, A.基扎克納特 申請人:阿爾格拉控股有限公司