CN103201867B - 压电信号生成器 - Google Patents

Abstract

压电信号生成器（10；30），包括至少一个压电元件（12；20）,其与发射器（14；35）连接，能够从由压电元件的致动产生的电流（C），生成能够由与信号生成器（10；30）远离的接收器（16；36）所无线接收电磁信号（S），压电元件（20；31）包括附着于导电载体层（242）的压电陶瓷层（241）；压电陶瓷层附着于载体层，且二者均被具有厚度（T_P）的定位层（23）所保持，并都能够可逆变形，该可逆变形由定位层（23）的厚度（T_P）所预定，并被限于该厚度（T_P）；此外，压电元件（20；31）包括间隙层（26），用于缓冲具有附着的压电陶瓷层（241）的载体层（242）的可逆变形；间隙（29）具有使得T_G ≤T_P 的厚度(T_G)。

Description

压电信号生成器

背景技术

本发明一般涉及通信技术，并具体地涉及压电信号生成器，即，使用压电元件来激活用于生成电磁信号的发射器的装置。在本领域中，例如在US4612472、US6630894、DE2314420、DE2939440和EP1217742中，已经提出了各种这样的装置。

这样的装置包括至少一个压电元件，其与发射器连接，使得由压电元件产生的电流将致动发射器，并使其生成并发送电磁信号到与发射器远离的接收器。根据具体的需要，电磁信号的波长可以处于可见范围内或射频范围内，例如在超短波范围内，且发射器和接收器之间的距离可以在几厘米和很多米或者甚至数公里之间变化。

然而，很少有这样的产品（如果有的话）已经带来商业上可行的产品，且大多数现有技术公开并没有规定被假定为能够致动发射器的压电元件的性质。当诸如EP1217742中那样给出了与压电元件有关的细节时，以弯曲条带形式的商业可得的双压电晶片（bimorph）被提出以提供通常在若干mJ（毫焦耳（millijoule）；等同于mV·秒）范围内的充足电能。这样的压电元件的实质变形是发射器的致动所需的，当然，其有损于这样构建的装置的使用寿命。

发明内容

因此，本发明的一个主要目的是提供上面提到的类型的压电信号生成器，其中在产生充足的电能来致动发射器的同时，限制压电元件的变形。

此目的以及根据下面给出的说明书而显而易见的进一步的优点，将由如权利要求1中所限定的压电信号生成器实现。本发明的优选实施例如在权利要求2-9中所限定的。本发明进一步涉及一种如权利要求10中所规定的信令系统。

令人惊奇的是，已经发现，由合适压电元件的受制和受限的变形所产生的电能，能够产生充足的电能以用于能量敏感发射器的致动。

一般来说，根据本发明的信号生成器包括至少一个压电元件,其与发射器操作连接，发射器转而能够从压电元件的致动所产生的电流生成能够由与生成器远离的接收器所无线接收的电磁信号。

根据本发明的压电信号生成器包括至少一个压电元件，其与发射器操作连接，即以这样的方式连接，使得由压电元件生成的电能将使发射器产生和发送电磁信号。例如在上面引用的US6630894中所说明的,这样的发射器在本领域中是已知的，且不需要详细的说明。显然，压电元件，即对于其操作所需的手动压强，是根据本发明的信号生成器中的发射器的唯一能量源。

接收器的细节取决于从发射器接收到的电磁辐射。同样，这样的接收器在现有技术中是公知的，且本文中且不需要详细的讨论。

例如从EP0210386和EP0576400中，根据本发明的适于使用的类型的压电元件是已知的，但是需要在下面更加详细地说明一些具体特性。一般来说，这样的元件包括附着于由导电材料制成或涂有导电材料的载体层的压电陶瓷层，导电材料诸如包括钢、镍、银或合金的铁。

载体层和其附着的压电陶瓷层必须能够具有对于生成通过通常在约1至约20帕斯卡的范围内的手动压强激活发射器所需电能来说所需要的反复可逆变形，并且这样的反复变形必须不对压电陶瓷层，或不对其能量生成能力造成损坏。合适的产品是商业可得的，且通常包括圆形金属盘，例如由钢制成的，具有约0.05-0.5mm范围内的厚度，优选地从约0.1-0.3mm，带有通常与金属盘具有相同范围内的厚度的、充当压电陶瓷层的载体层的压电陶瓷层的粘附层。典型地，陶瓷层的厚度与其载体层的厚度大约是相同的。虽然为了结构简单的原因，圆形形状是优选的，但这不是关键的，并且如果定位层和间隙层被适当地成形为提供载体层的外围支撑，那么其他圆形或多边形结构将是适当的。圆形盘的直径或非圆形状的最大直径可以在例如约5至约50mm之间变化。

为了本发明的目的，压电陶瓷层的变形被保持在谨慎选择的限度内是必要的。虽然在涉及元件的操作寿命的范围内，最小变形看起来并不关键，但很显然这样的最小限度将取决于激活发射器所需的最小压电功率。另一方面，最大变形被认为是关键的且需要谨慎的限制。根据本发明，已经发现这样的限制可以通过限制间隙的厚度来实现，该间隙充当针对信号生成器激活时发生的变形的程度的阻止器。显然，必须选择压电陶瓷层的载体层，使得压电陶瓷层将被充足变形以生成激活发射器所需的电能。一般来说，根据本发明的间隙厚度将在约0.05至约0.50mm的范围内，优选地在从约0.1至约0.25mm的范围内。

适于载体层的金属的优选示例为不锈钢（例如SUS304)、FeNi-合金组合、黄铜合金和具有类似物理和化学性质的其他金属。

定义

本文所使用的术语“合成聚合物”意在包括通常为电绝缘且常规用于生产诸如印制电路板的叠层结构的领域中的大分子物质，诸如聚酯、聚醚、聚碳酸酯、聚链烷等材料。

术语“导电的”指的是固有导电的材料，诸如金属或石墨，或通过涂布已经致使导电的材料。典型的金属包括钢、镍、铬、铝、镁、铜、银、金和这样的金属的合金。

术语“可逆的变形”指的是具有其所附着的压电陶瓷材料的载体层形状的可逆变化，并且本文中在最大变形部位处测量的长度单位方面表达该术语，即在静止时和在变形时，载体层最大变形发生的那部分的位置之间的距离。

术语“压电陶瓷材料”指的是展示压电性质并可通过例如陶瓷制造中使用的方法使其附着于载体的晶体材料。这样的材料在来自不同生产商的不同商标或商标名下在商业上可得，并且无需进一步的讨论。

本文中的术语“粘合剂”指的是制造用于电气和电子领域中使用的多层结构的层叠领域中使用的材料。具有或不具有溶剂的热塑性聚合物及其混合物是典型的示例。

本文中当与数字语句相结合使用时，术语“约”意在包括±30％的误差容限。

具体实施方式

现在将参考本发明优选但非限制性的实施例同时参照附图来更为详细地解释和说明本发明，其中：

图1是根据本发明的信令系统的框图；

图2是压电元件的主要构成的图解分解截面视图；

图2A是当由手动压强致动时，处于操作连接的图2的元件的图解截面视图；以及

图3是根据本发明的压电信号生成器的图解视图；

如图1中所示，根据本发明的系统包括压电信号生成器10，压电信号生成器10包括一个或多个压电元件12，该一个或多个压电元件12产生用于致动发射器14的电流C，以便生成将被传送到接收器16并被接收器16接收的电磁信号S。接收器16的性质当然取决于由发射器14生成的电磁辐射的类型，即其是否是在无线电范围内，或在包括其IR和UV部分的视觉范围内。

用于根据本发明使用的图1的压电元件12的构成的示例，被示意性地呈现为图2中的分解视图，图2示出了根据本发明的优选压电元件20的基本的构成层。它包括用于与导电层22的粘性连接的上层或顶层21。虽然这可以是完全由导电材料组成的层，但它也可以由具有用于接触压电陶瓷层23的相邻部分的嵌入导电部分的介电材料组成，该压电陶瓷层23转而被附着连接到载体层242。压电陶瓷层241与载体层242一起形成诸如从各种制造商商业可得的压电单元结构24。

压电单元结构24具有圆形盘形状，且由具有用容纳和紧密保持结构24的开口的定位层23所环绕。定位层23的上表面和下表面基本上与压电单元结构24的上表面和下表面齐平。换言之，定位层23的厚度T_P与压电单元24的厚度基本相同。

元件20的下一层是接触载体层242的另一个导电层25。同样，如同上导电层22一样，下导电层可以仅在用于接触支撑部242和形成用于与发射器电连接器的引线的区域中是导电的。

层26是间隙层，且通常由介电材料组成。如将是显而易见的（参见图3），间隙层26的内缘261比定位层23的对应内缘231朝向间隙29的中心伸出更多。因而，载体层242被间隙层26在外围支撑，转而与可以是电介质或金属的基底层27粘性接触。间隙29的厚度T_G实质上由层26的厚度所限定，且与层26的厚度相等。

图2A示出了当由从上面作用（元件20的下支撑在图2A中被省略）的手动压强P，例如由通常在约2至约20Pa范围内的手动压强激活时，图2在其操作关系中作为多个叠层的多层整体堆叠的所有层。因此，间隙层26顶部上的所有层将被变形，但一般不会被压缩，且将由压电陶瓷层241生成电流。

要注意的是，为了图示的目的，图2和2A中层的厚度已被极大地夸大。现实中，图2和图2A的整个堆叠通常将是具有实质上不大于约1mm的厚度的薄层叠。而且，图2、2A中所示出的比例不是现实的，而是用用图示和理解。典型地，层25实质上比它的两个相邻层23和26都要薄。因此，实际实践中，实际上将通过间隙29的厚度，即通过间隙层26的厚度T_G，来限制压电陶瓷层241的弯曲变形。

如从图2、2A和3中所显而易见的，保持单元24的定位层23中的开口是圆形的，且由边缘231限定。间隙29进而也是圆的，且与保持压电单元24的层23的圆形开口同心。

显然，当图2中的间隙29由间隙层的总体贯穿所形成，可由除了由间隙层的一个表面（当参考图2时，为“上”表面）中的凹部所形成的间隙的位置之外具有更大厚度的层，来实现相同的变形限制功能。在这样的情况下，该凹部将充当间隙，并具有适当的深度T_G。

优选地，间隙29具有不大于约为定位层23厚度T_P一半的厚度T_G，且通常在约0.1至约0.3mm的范围内。在该情境中要注意的是，由间隙层26内表面或边缘261对载体层242的外围支撑是必要的。出于这个原因，间隙29的直径必须不能超出载体层242的直径。如果这些直径是相等的，中间层25可以提供对于外围支撑来说刚好充足的最小差异。然而，通常情况下，即使如上面所说明的，空间位移被间隙29所限制，间隙29的直径将比载体层242的直径稍微小，通常小约0.5至约2mm，优选地小约1mm，以便在手动压强P在其大部分平面上进行影响时，提供载体层242充分弯曲。

由于同样的原因，间隙层26的机械性质必须是这样的，以便在操作压强P影响时不被压缩，即，在操作条件下（通常地在室温下）间隙层26的厚度T_G的任何变化，当未暴露于操作压强P的影响下时，必须低于其厚度的1％，优选地低于其厚度的0.1％。优选地，所述压电元件的所有构成应满足此条件。

图3是压电信号生成器30的图解视图。在顶视图中示出了压电元件31，以及仅将对应的定位层23和间隙层26的内缘231和261（参见图2）以虚线示出，以图示由间隙层26对载体层242的外围支撑。事实上，直径上的差异通常是很小的。

如从图3中示出的图解电路中所显而易见的，由压电元件31生成的输出电流被引向优选形式的发射器的构成，即用于传送信号到与信号生成器30远离的接收器36的整流器32、电压调节器33、电压检测单元34和微控制器单元35。

根据本发明的信号生成器中使用的、具有限制的和预定的最大变形的压电陶瓷层的以上公开的压电元件，能够在手动压强P的单行程（one-stroke）操作中生成通常在约1至约1000μJ（微焦耳）范围内的电能，优选生成至少约10μJ的电能，上限被可由压电生成的、且能够借助于发射器生成可在技术上在显著距离上传送的信号的电量所限定。

对于那些熟悉压电开关领域的人来说显而易见的是，上面的示例是说明性的并且不意在限制本发明。例如，虽然上面所示出的多层结构优选地通过层叠方法由预成形层制成，但可以通过诸如铸造或印制的片材成型方法来施加一些或所有层。

Claims (13)

1.一种压电信号生成器（10；30），包括至少一个压电元件（12；20）,其与发射器（14；35）操作连接，所述发射器（14；35）能够从由所述至少一个压电元件的致动产生的电流（C）生成能够由与所述信号生成器（10；30）远离的接收器（16；36）所无线接收的电磁信号（S）；其中所述至少一个压电元件（20；31）包括附着于导电载体层（242）的压电陶瓷层（241），并且所述导电载体层（242）与所述附着的压电陶瓷层（241）一起在外围被具有厚度（T_P）的定位层（23）所紧密保持；所述导电载体层（242）与所述附着的压电陶瓷层（241）一起，能够可逆变形；并且所述压电元件（20；31）包括用于借助于具有使得T_G≤T_P的厚度(T_G)的间隙（29）来限制所述可逆变形的间隙层（26）。

2.根据权利要求1的信号生成器（10），其中所述导电载体层（242）是由所述间隙层（26）外围支撑的金属盘（242）。

3.根据权利要求2的信号生成器（10），其中所述压电陶瓷层（241）和所述载体层（242）形成具有实质上等于定位层（23）的厚度(T_P)的厚度的粘附单元(24)。

4.根据权利要求1-3的任意一项的信号生成器（10），其中定位层的厚度(T_P)在从0.1mm至1mm的范围内。

5.根据权利要求1-3的任意一项的信号生成器（10），其中间隙（29）的厚度(T_G)在从0.05mm至0.5mm的范围内。

6.根据权利要求1-3的任意一项的信号生成器（10），其中所述导电载体层（242）响应于在从1至20Pa的范围内的手动压强，能够进行预定的和限制的变形。

7.根据权利要求1的信号生成器（10），其中所述压电元件（20）是整体叠层结构，依次包括，覆盖层（21）；第一连接器层（22），其与所述定位层（23）相邻，用于接触所述压电陶瓷层（241）；第二连接器层(25)，用于接触所述导电载体层（242）；所述间隙层（26），被定位在所述第二连接器层（25）和至少一个基底层（27）之间。

8.根据权利要求2-3的任意一项的信号生成器（10），其中所述导电载体层（242）具有基本上圆形的形状，直径在从10mm至50mm的范围内，且与所述压电陶瓷层（241）形成具有在从0.1mm至1.0mm的范围内的厚度的压电单元（24）。

9.根据权利要求8的信号生成器（10），其中所述定位层（23）的所述厚度(T_P)基本上与压电单元（24）的厚度相同，并且其中所述间隙（29）具有基本上圆形的形状，并与所述圆形盘同心，并且其中所述间隙（29）的直径不大于所述单元（24）的所述直径。

10.根据权利要求1-3的任意一项的信号生成器（10），其中定位层的厚度(T_P)在从0.2至0.5mm的范围内。

11.根据权利要求1-3的任意一项的信号生成器（10），其中间隙（29）的厚度(T_G)在从0.1至0.25mm的范围内。

12.根据权利要求8的信号生成器（10），其中所述定位层（23）的所述厚度(T_P)基本上与压电单元（24）的厚度相同，并且其中所述间隙（29）具有基本上圆形的形状，并与所述圆形盘同心，并且其中所述间隙（29）的直径比所述单元（24）的所述直径小0.5mm至2.5mm。

13.一种信令系统，包括压电信号生成器（10；30）和接收器（16；36），其中所述压电信号生成器（10；30）包括至少一个压电元件（12；20）,其与发射器（14；35）操作连接，所述发射器（14；35）能够从由所述至少一个压电元件的致动产生的电流（C）生成能够由所述接收器（16；36）所无线接收的电磁信号（S），其中所述至少一个压电元件（20；31）包括被附着于导电载体层（242）的压电陶瓷层（241），并且所述导电载体层（242）与所述附着的压电陶瓷层（241）一起被具有厚度（T_P）的定位层（23）所紧密保持；所述导电载体层（242）与所述附着的压电陶瓷层（241）一起，能够可逆变形；所述压电元件（20；31）包括用于借助于具有使得T_G≤T_P的厚度(T_G)的间隙（29）来缓冲所述可逆变形的间隙层（26）。