CN107947628A - 多层压电陶瓷振动元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层压电陶瓷振动元件。该振动元件包括压电陶瓷组件，压电陶瓷组件包括多层压电陶瓷层和多层电极层，压电陶瓷组件被构造为：当因收缩而发生弯曲时，靠近弯曲侧的压电陶瓷层的收缩量大于或者等于远离弯曲侧的压电陶瓷层的收缩量，并且距离弯曲侧最近的压电陶瓷层的收缩量大于距离弯曲侧最远的压电陶瓷层的收缩量；当因伸张而发生弯曲时，靠近弯曲侧的压电陶瓷的伸张量小于或者等于远离弯曲侧的压电陶瓷层的伸张量，并且距离弯曲侧最近的压电陶瓷的收缩量小于距离弯曲侧最远的压电陶层的伸张量。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷技术领域，更具体地，涉及一种多层压电陶瓷振动元件。
背景技术
压电陶瓷具有逆压电效应。在电信号作用下，可以用作压电扬声器振子或压电振动器振子。现有的压电扬声器振子或者压电振动器振子一般采用d31振动模式。通常由两种结构组成：1)压电单晶体贴装在其他材质(包括陶瓷、金属、玻璃等)的薄片上；利用施加电信号后位移量的差距，形成弯曲振动；2)两块压电单晶片烧结在一起，通过控制压电陶瓷极化方向和信号输入方向，使两块压电单晶片振动方向相反，以形成弯曲振动。
现有的多层压电元件在工作时,各层压电陶瓷在长度方向的位移相同。这种设计应用于压电元件的振动弯曲中，由于弯曲内侧需要小的位移，弯曲外侧需要大的位移，故会使压电元件间产生应力。应力会影响压电元件的变形量，作为声学元件则影响其声压值。
此外，应力将会加剧多层的压电振动元件的疲劳和断裂，降低工作寿命。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种多层压电陶瓷振动元件的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种多层压电陶瓷振动元件。该振动元件包括压电陶瓷组件，所述压电陶瓷组件包括多层压电陶瓷层和多层电极层，所述电极层与所述压电陶瓷层间隔设置，所述压电陶瓷层的数量比所述电极层的数量多一层，以使每个压电陶瓷层沿厚度方向的上、下两侧均设置有所述电极层，所述压电陶瓷组件被构造为：
当因收缩而发生弯曲时，靠近弯曲侧的压电陶瓷层的收缩量大于或者等于远离弯曲侧的压电陶瓷层的收缩量，并且距离弯曲侧最近的压电陶瓷层的收缩量大于距离弯曲侧最远的压电陶瓷层的收缩量；
当因伸张而发生弯曲时，靠近弯曲侧的压电陶瓷层的伸张量小于或者等于远离弯曲侧的压电陶瓷层的伸张量，并且距离弯曲侧最近的压电陶瓷层的收缩量小于距离弯曲侧最远的压电陶瓷层的伸张量。
可选地，通过调节压电陶瓷层的厚度来调节压电陶瓷层的收缩量和伸张量。
可选地，距离弯曲侧最近的压电陶瓷层计为第一层，距离弯曲侧最远的压电陶瓷层计为第N层，第i层的厚度计为Ti，第i+1层的厚度计为Ti+1，i和N为自然数，1≤i≤N-1，
当因收缩而发生弯曲时，Ti≤Ti+1，并且T1＜TN，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN；
当因伸张而发生弯曲时，Ti≥Ti+1，并且T1＞TN，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
可选地，所述压电陶瓷组件为d31振动模式，通过调节压电陶瓷层的压电常数d31来调节压电陶瓷层的收缩量和伸张量。
可选地，距离弯曲侧最近的压电陶瓷层计为第一层，距离弯曲侧最远的压电陶瓷层计为第N层，第i层的压电常数计为d31i，第i+1层的压电常数计为d31i+1，i和N为自然数，1≤i≤N-1，
当因收缩而发生弯曲时，d31i≥d31i+1，并且d311＞d31N，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN；
当因伸张而发生弯曲时，d31i≤d31i+1，并且d311＜d31N，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
可选地，所述压电陶瓷组件为d31振动模式，通过调节施加在压电陶瓷层的电压的大小来调节压电陶瓷层的收缩量和伸张量。
可选地，距离弯曲侧最近的压电陶瓷层计为第一层，距离弯曲侧最远的压电陶瓷层计为第N层，施加在第i层的电压计为Ui，施加在第i+1层的电压计为Ui+1，i和N为自然数，1≤i≤N-1，
当因收缩而发生弯曲时，Ui≥Ui+1，并且U1＞UN，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN；
当因伸张而发生弯曲时，Ui≤Ui+1，并且U1＜UN，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
可选地，包括两个所述压电陶瓷组件，两个所述压电陶瓷组件连接在一起，两个所述压电陶瓷组件之间距离最近的压电陶瓷层的共用一个电极层，两个所述压电陶瓷组件被构造为：
当其中一个因收缩而发生弯曲时，另一个会因伸张而向该侧发生弯曲；
当其中一个因伸张而向另一侧发生弯曲时，另一个会因收缩而向该另一侧发生弯曲。
可选地，包括两个所述压电陶瓷组件，两个所述压电陶瓷组件连接在一起，两个所述压电陶瓷组件的距离最近的电极层之间设置有缓冲层，两个所述压电陶瓷组件被构造为：
当其中一个因收缩而发生弯曲时，另一个会因伸张而向该侧发生弯曲；
当其中一个因伸张而向另一侧发生弯曲时，另一个会因收缩而向该另一侧发生弯曲。
可选地，两个所述压电陶瓷组件的压电陶瓷层的厚度沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递减。
可选地，所述压电陶瓷组件为d31振动模式，两个所述压电陶瓷组件的压电陶瓷层的压电常数d31沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递增。
可选地，所述压电陶瓷组件为d31振动模式，施加在两个所述压电陶瓷组件的压电陶瓷层的电压沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递增。
可选地，所述缓冲层的厚度大于所述压电陶瓷层的厚度。
可选地，所述缓冲层的材质为未经极化的压电陶瓷材料。
本发明的发明人发现，在现有技术中，在现有的多层压电元件中，各层压电陶瓷层的材质、规格、尺寸相同，因此在长度方向的位移相同。在弯曲振动时以产生应力。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
在本发明实施例中，通过控制不同压电陶瓷层的收缩和伸张量来实现多层压电陶瓷振动元件的弯曲，从而实现振动。这使得各层压电陶瓷层在弯曲时的变形量与弯曲的程度相匹配，从而有效地降低了压电陶瓷层之间的应力。
此外，该多层压电陶瓷振动元件能够实现自然弯曲振动，无需贴装其他材料即可实现厚度方向的弯曲振动。
此外，由于应力的降低，故多层压电陶瓷振动元件的抗疲劳、抗断裂的强度提高，延长了使用寿命。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明的一个实施例的多层压电陶瓷振动元件的电路示意图。
图2-3是根据本发明的一个实施例的单晶压电陶瓷振动元件的结构示意图。
图4是本发明的一个实施例的接触式双晶压电陶瓷振动元件的结构示意图。
图5是本发明的一个实施例的非接触式双晶压电陶瓷振动元件的结构示意图。
图6是本发明的一个实施例的双晶压电陶瓷振动元件的电路示意图。
附图标记说明：
11：压电陶瓷层；12：电极层；13：电源；14：共用电极层；15：第一压电陶瓷组件；16：第二压电陶瓷组件；17：缓冲层。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本发明的一个实施例，提供了一种多层压电陶瓷振动元件。该振动元件包括压电陶瓷组件。压电陶瓷组件包括多层压电陶瓷层11和多层电极层12。电极层12与压电陶瓷层11间隔设置。压电陶瓷层11的数量比电极层12的数量多一层，以使每个压电陶瓷层11沿厚度方向的上、下两侧均设置有电极层12。压电陶瓷组件被构造为：
当因收缩而发生弯曲时，靠近弯曲侧的压电陶瓷层11的收缩量大于或者等于远离弯曲侧的压电陶瓷层11的收缩量，并且距离弯曲侧最近的压电陶瓷层11的收缩量大于距离弯曲侧最远的压电陶瓷层11的收缩量。
当因伸张而发生弯曲时，靠近弯曲侧的压电陶瓷的伸张量小于或者等于远离弯曲侧的压电陶瓷层11的伸张量，并且距离弯曲侧最近的压电陶瓷层的收缩量小于距离弯曲侧最远的压电陶瓷层的伸张量。
需要说明的是，弯曲侧是指多层压电陶瓷振动元件在弯曲时位于内弧的一侧，如图2-5中A线所示。压电陶瓷层11由压电陶瓷制作而成。可选的是，压电陶瓷层11的材质为锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PT)、钛酸铋钠(BNT)、铌酸钾钠(KNN)、钛酸钡(BT)、铁酸铋(BF)等。电极层12用于向压电陶瓷层11施加电压，以使压电陶瓷层11发生伸张或者收缩。电极层12与外部电路连接，外部电路的电源13向电极层12供电，如图1和6所示。靠近和远离是指相对的远、近。
在本发明实施例中，通过控制不同压电陶瓷层11的收缩和伸张量来实现多层压电陶瓷振动元件的弯曲，从而实现振动。这使得各层压电陶瓷层11在弯曲时的变形量与弯曲的程度相匹配，从而有效地降低了压电陶瓷层11之间的应力。
此外，该多层压电陶瓷振动元件能够实现自然弯曲振动，无需贴装其他材料即可实现厚度方向的弯曲振动。
此外，由于应力的降低，故多层压电陶瓷振动元件的抗疲劳、抗断裂的强度提高，延长了使用寿命。
需要说明的是，电极层12对压电陶瓷层11施加电压。施加电压的方向可以与压电陶瓷层11的极化方向相反，此时压电陶瓷层11会沿平面方向伸张；也可以是，施加电压的方向与极化方向相同，此时压电陶瓷层11沿平面方向收缩。弯曲侧是指弯曲形变的内弧一侧。为了方便说明，压电陶瓷层11为长条形，伸张和收缩均沿长度方向。在其他方向的形变忽略不计。
优选地，通过调节压电陶瓷层11的厚度来调节压电陶瓷层11的收缩量和伸张量。压电陶瓷层11的厚度越大，则在施加电压时收缩和伸张的量就越小；厚度越小，则在施加电压时收缩和伸张的量越大。
本领域技术人员可以根据实际需要设置各个压电陶瓷层11的厚度，以调节伸、缩量，从而使压电陶瓷层11与弯曲程度相匹配。
通过调整厚度的方式，能够有效地减小压电陶瓷层11之间的应力。
此外，压电陶瓷层11的厚度的设置比较容易，并且精度高，这使得多层压电陶瓷振动元件的制作变得容易。
在一个例子中，各压电陶瓷层11的厚度按照如下方式进行设置。
定义距离弯曲侧最近的压电陶瓷层11计为第一层。距离弯曲侧最远的压电陶瓷层11计为第N层。第i层的厚度计为Ti。第i+1层的厚度计为Ti+1，其中i和N为自然数，1≤i≤N-1。
当多层压电陶瓷层11振动元件被构造为因收缩而发生弯曲时，Ti≤Ti+1，并且T1＜TN，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN。
在此，可以是，多个压电陶瓷层11的厚度由弯曲侧向相对的一侧逐渐增加，最终第N层的厚度TN＞第一层的厚度T1。
图3示出了一种单晶压电陶瓷振动元件。如图3所示，以三层压电陶瓷层11为例。三层的厚度由靠近弯曲侧向远离弯曲侧逐渐增加。在施加电压时，厚度最小的一层收缩量最大；厚度越大则收缩量越小。收缩量最大的一层的长度最小。随着收缩量的减小，压电陶瓷层11的长度逐渐增加，这样形成了向长度最小的压电陶瓷层11一侧的弯曲。
还可以是，多个压电陶瓷层11中的相邻的几层的厚度可以是相同的，但是总体的趋势是厚度逐渐递增，应保证第N层的厚度TN＞第一层的厚度T1。
当因伸张而发生弯曲时，Ti≥Ti+1，并且T1＞TN，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
在此，可以是，多个压电陶瓷层11的厚度由弯曲侧向相对的一侧逐渐减小，最终第N层的厚度TN＜第一层的厚度T1。
图2示出了一种单晶压电陶瓷振动元件。如图2所示，以三层压电陶瓷层11为例。三层的厚度由靠近弯曲侧向远离弯曲侧逐渐减小。在施加电压时，厚度最小的一层伸张量最大；厚度越大则伸张量越小。伸张量最小的一层的长度最小。随着伸张量的增加，压电陶瓷层11的长度逐渐增加，这样形成了向长度最小的压电陶瓷层11一侧的弯曲。
还可以是，多个压电陶瓷层11中的相邻的几层的厚度可以是相同的，但是总体的趋势是厚度逐渐递减，应保证第N层的厚度TN＜第一层的厚度T1。
优选地，压电陶瓷组件为d31振动模式，通调节压电陶瓷层11的压电常数d31来调节压电陶瓷层11的收缩量和伸张量。在其他条件一定的情况下，压电常数d31与压电陶瓷层11的伸、缩量成正比。
压电陶瓷层11的压电常数d31越大，则在施加电压时收缩和伸张的量就越大；压电常数d31越小，则在施加电压时收缩和伸张的量越小。
本领域技术人员可以根据实际需要设置压电陶瓷层11的材质，来调节各层的压电常数d31，以调节伸、缩量，从而使压电陶瓷层11与弯曲程度相匹配。
在一个例子中，各压电陶瓷层11的压电常数d31按照如下方式进行设置。
距离弯曲侧最近的压电陶瓷层11计为第一层，距离弯曲侧最远的压电陶瓷层11计为第N层，第i层的压电常数计为d31i，第i+1层的压电常数计为d31i+1，i和N为自然数，1≤i≤N-1。
当因收缩而发生弯曲时，d31i≥d31i+1，并且d311＞d31N，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN。
在此，可以是，多个压电陶瓷层11的压电常数d31由弯曲侧向相对的一侧逐渐减小，最终第一层的压电常数d311＞第N层的压电常数d31N。
在施加电压时，压电常数d31最小的一层的收缩量最小。压电常数d31越大则收缩量越大。压电常数d31最大的压电陶瓷层11的长度最小。随着收缩量的减小，压电陶瓷层11的长度逐渐增加，这样形成了向长度最小的压电陶瓷层11一侧的弯曲。
还可以是，多个压电陶瓷层11中的相邻的几层的压电常数d31可以是相同的，但是总体的趋势是压电常数d31逐渐递减，应保证第一层的压电常数d311＞第N层的压电常数d31N。
当因伸张而发生弯曲时，d31i≤d31i+1，并且d311＜d31N，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
在此，可以是，多个压电陶瓷层11的压电常数d31由弯曲侧向相对的一侧逐渐增加，最终第一层的压电常数d311＜第N层的压电常数d31N。
在施加电压时，压电常数d31最小的一层的伸张量最小。压电常数d31越大则伸张量越大。压电常数d31最小的压电陶瓷层11的长度最小。随着伸张量的增加，压电陶瓷层11的长度逐渐增加，这样形成了向长度最小的压电陶瓷层11一侧的弯曲。
还可以是，多个压电陶瓷层11中的相邻的几层的压电常数d31可以是相同的，但是总体的趋势是压电常数逐渐增加，应保证第一层的压电常数d311＜第N层的压电常数d31N。
优选地，压电陶瓷组件为d31振动模式，通过调节施加在压电陶瓷层11的电压的大小来调节压电陶瓷层11的收缩量和伸张量。在其他条件一定的情况下，电压与压电陶瓷层11的伸、缩量成正比。
通过电压进行压电陶瓷层11的伸、缩量的调节，不需要改变各层的材料，只需控制输入的电压信号即可，便于实现自动控制。
施加在压电陶瓷层11的电压越大，则压电陶瓷层11的收缩和伸张的量就越大；施加在压电陶瓷层11的电压越小，则压电陶瓷层11的收缩和伸张的量越小。
本领域技术人员可以根据实际需要设置施加在压电陶瓷层11的电压的大小，以调节个压电陶瓷层11的伸、缩量，从而使压电陶瓷层11与弯曲程度相匹配。
在一个例子中，如图1所示，距离弯曲侧最近的压电陶瓷层11计为第一层，距离弯曲侧最远的压电陶瓷层11计为第N层，施加在第i层的电压计为Ui，施加在第i+1层的电压计为Ui+1，i和N为自然数，1≤i≤N-1。
当因收缩而发生弯曲时，Ui≥Ui+1，并且U1＞UN，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN。
在此，可以是，多个压电陶瓷层11的电压由弯曲侧向相对的一侧逐渐减小，最终第一层的电压U1＞第N层的电压UN。
在施加电压时，电压最小的一层的收缩量最小。电压越大则收缩量越大。电压最大的压电陶瓷层11的长度最小。随着收缩量的减小，压电陶瓷层11的长度逐渐增加，这样形成了向长度最小的压电陶瓷层11一侧的弯曲。
还可以是，多个压电陶瓷层11中的相邻的几层的电压可以是相同的，但是总体的趋势是电压逐渐递减，应保证第一层的电压U1＞第N层的电压UN。
当因伸张而发生弯曲时，Ui≤Ui+1，并且U1＜UN，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
在此，可以是，多个压电陶瓷层11的电压由弯曲侧向相对的一侧逐渐增加，最终第一层的电压U1＜第N层的电压UN。
在施加电压时，电压最小的一层的伸张量最小。电压越大则伸张量越大。电压最小的压电陶瓷层11的长度最小。随着伸张量的增加，压电陶瓷层11的长度逐渐增加，这样形成了向长度最小的压电陶瓷层11一侧的弯曲。
还可以是，多个压电陶瓷层11中的相邻的几层的电压可以是相同的，但是总体的趋势是电压逐渐增加，应保证第一层的电压U1＜第N层的电压UN。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种双晶接触式多层压电陶瓷振动元件。多层压电陶瓷振动元件包括两个压电陶瓷组件15,16，即第一压电陶瓷组件15和第二压电陶瓷组件16。两个压电陶瓷组件15,16连接在一起。两个压电陶瓷组件15,16之间距离最近的压电陶瓷层11的共用一个电极层，即共用电极层14。两个压电陶瓷组件15,16被构造为：
当其中一个因收缩而发生弯曲时，另一个会因伸张而向一侧发生弯曲；
当其中一个因伸张而向另一侧发生弯曲时，另一个会因收缩而向同一侧发生弯曲。
通过这种方式，多层压电陶瓷振动元件能向上、下两侧振动，并且在振动过程中，各层之间的应力小，使用寿命长。
在一个例子中，如图4所示，两个压电陶瓷组件15,16的压电陶瓷层11的厚度沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递减。
具体地，多层压电陶瓷振动元件的中间为两个压电陶瓷组件15,16的共用电极层14。两个压电陶瓷组件15,16的层数可以相同，也可以不同。在该例子中，两个压电陶瓷组件15,16均为三层。
两个压电陶瓷组件15,16的各层压电陶瓷层11的厚度被构造为，由共用电极层14向上、下两侧逐渐减小。上、下两侧为沿厚度方向的上、下侧。例如，两个压电陶瓷组件15,16其中一个施加的电压与极化方向相同，另一个与极化方向相反。在通电时，两个压电陶瓷组件15,16朝同一个方向弯曲，并且在弯曲时压电陶瓷层11之间的应力小。
需要说明的是，相邻的多个压电陶瓷层11的厚度可以相同，只要整体的趋势是由共用电极层14向上、下两侧逐渐减小即可。
在一个例子中，压电陶瓷组件为d31振动模式。两个压电陶瓷组件15,16的压电陶瓷层11的压电常数d31沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递增。
例如，两个压电陶瓷组件15,16各自的压电陶瓷层11的厚度一致。两个压电陶瓷组件15,16的各层压电陶瓷层11的压电常数d31被构造为，由上、下两侧向共用电极层14逐渐减小。例如，两个压电陶瓷组件15,16其中一个施加的电压与极化方向相同，另一个与极化方向相反。在通电时，两个压电陶瓷组件15,16朝同一个方向弯曲，在弯曲时压电陶瓷层11之间的应力小。
需要说明的是，相邻的多个压电陶瓷层11的压电常数d31可以相同，只要整体的趋势是由上、下两侧向共用电极层14逐渐减小。
在一个例子中，如图6所示，压电陶瓷组件为d31振动模式。施加在两个压电陶瓷组件15,16的压电陶瓷层11的电压沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递增。
例如，两个压电陶瓷组件15,16各自的压电陶瓷层11的厚度一致，材质相同。施加在两个压电陶瓷组件15,16的各层压电陶瓷层11的电压为构造为，由上、下两侧向共用电极层14逐渐减小。例如，两个压电陶瓷组件15,16其中一个施加的电压与极化方向相同，另一个与极化方向相反。在通电时，两个压电陶瓷组件15,16朝同一个方向弯曲，在弯曲时压电陶瓷层11之间的应力小。
需要说明的是，相邻的多个压电陶瓷层11的电压可以相同，只要整体的趋势是由上、下两侧向共用电极层14逐渐减小。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种非接触式双晶压电陶瓷振动元件。多层压电陶瓷振动元件包括两个压电陶瓷组件15,16。两个压电陶瓷组件15,16连接在一起。两个压电陶瓷组件15,16的距离最近的电极层12之间设置有缓冲层17。两个压电陶瓷组件15,16被构造为：
当其中一个因收缩而发生弯曲时，另一个会因伸张而向同一侧发生弯曲；
当其中一个因伸张而向另一侧发生弯曲时，另一个会因收缩而向同一侧发生弯曲。
缓冲层17可以是但不局限于玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料。缓冲层17具有设定的厚度。在两个压电陶瓷组件15,16振动时，缓冲层17可以起到良好的缓冲作用，以消除二者之间的应力。
优选地，缓冲层17的厚度大于等于位于缓冲层17的上、下两侧的压电陶瓷层11的厚度。通过这种方式，在弯曲振动时，缓冲层17的缓冲效果更好。
优选地，缓冲层17的材质为未经极化的压电陶瓷材料。通过这种方式，缓冲层17的制作更容易。
此外，该材料与两个压电陶瓷组件15,16的材料性质接近，使得多层压电陶瓷振动元件的结构稳定性高。
在一个例子中，如图5所示，两个压电陶瓷组件15,16的压电陶瓷层11的厚度沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递减。
具体地，多层压电陶瓷振动元件的中间位置为缓冲层17。两个压电陶瓷组件15,16层数可以相同，也可以不同。
例如，两个压电陶瓷组件15,16的各层压电陶瓷层11的厚度被构造为，由缓冲层17向上、下两侧逐渐减小。例如，两个压电陶瓷组件15,16其中一个施加的电压与极化方向相同，另一个与极化方向相反。在通电时，两个压电陶瓷组件15,16朝同一个方向弯曲，并且在弯曲时压电陶瓷层11之间的应力小。
需要说明的是，相邻的多个压电陶瓷层11的厚度可以相同，只要整体的趋势是由缓冲层17向上、下两侧逐渐减小即可。
在一个例子中，压电陶瓷组件为d31振动模式。两个压电陶瓷组件15,16的压电陶瓷层11的压电常数d31沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递增。
例如，两个压电陶瓷组件15,16各自的压电陶瓷层11的厚度一致。两个压电陶瓷组件15,16的各层压电陶瓷层11的压电常数d31被构造为，由上、下两侧向缓冲层17逐渐减小。例如，两个压电陶瓷组件15,16其中一个施加的电压与极化方向相同，另一个与极化方向相反。在通电时，两个压电陶瓷组件15,16朝同一个方向弯曲，在弯曲时压电陶瓷层11之间的应力小。
需要说明的是，相邻的多个压电陶瓷层11的压电常数d31可以相同，只要整体的趋势是由上、下两侧向缓冲层17逐渐减小。
在一个例子中，如图6所示，压电陶瓷组件为d31振动模式。施加在两个压电陶瓷组件15,16的压电陶瓷层11的电压沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递增。
例如，两个压电陶瓷组件15,16各自的压电陶瓷层11的厚度一致。施加在两个压电陶瓷组件15,16的各层压电陶瓷层11的电压为构造为，由缓冲层17的上、下两侧向缓冲层17逐渐减小。例如，两个压电陶瓷组件15,16其中一个施加的电压与极化方向相同，另一个与极化方向相反。在通电时，两个压电陶瓷组件15,16朝同一个方向弯曲，在弯曲时压电陶瓷层11之间的应力小。
需要说明的是，相邻的多个压电陶瓷层11的电压可以相同，只要整体的趋势是由上、下两侧向缓冲层17逐渐减小。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (14)
1.一种多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，包括压电陶瓷组件，所述压电陶瓷组件包括多层压电陶瓷层和多层电极层，所述电极层与所述压电陶瓷层间隔设置，所述压电陶瓷层的数量比所述电极层的数量多一层，以使每个压电陶瓷层沿厚度方向的上、下两侧均设置有所述电极层，所述压电陶瓷组件被构造为：
当因收缩而发生弯曲时，靠近弯曲侧的压电陶瓷层的收缩量大于或者等于远离弯曲侧的压电陶瓷层的收缩量，并且距离弯曲侧最近的压电陶瓷层的收缩量大于距离弯曲侧最远的压电陶瓷层的收缩量；
当因伸张而发生弯曲时，靠近弯曲侧的压电陶瓷层的伸张量小于或者等于远离弯曲侧的压电陶瓷层的伸张量，并且距离弯曲侧最近的压电陶瓷层的收缩量小于距离弯曲侧最远的压电陶瓷层的伸张量。
2.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，通过调节压电陶瓷层的厚度来调节压电陶瓷层的收缩量和伸张量。
3.根据权利要求2所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，距离弯曲侧最近的压电陶瓷层计为第一层，距离弯曲侧最远的压电陶瓷层计为第N层，第i层的厚度计为Ti，第i+1层的厚度计为Ti+1，i和N为自然数，1≤i≤N-1，
当因收缩而发生弯曲时，Ti≤Ti+1，并且T1＜TN，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN；
当因伸张而发生弯曲时，Ti≥Ti+1，并且T1＞TN，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
4.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，所述压电陶瓷组件为d31振动模式，通过调节压电陶瓷层的压电常数d31来调节压电陶瓷层的收缩量和伸张量。
5.根据权利要求4所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，距离弯曲侧最近的压电陶瓷层计为第一层，距离弯曲侧最远的压电陶瓷层计为第N层，第i层的压电常数计为d31i，第i+1层的压电常数计为d31i+1，i和N为自然数，1≤i≤N-1，
当因收缩而发生弯曲时，d31i≥d31i+1，并且d311＞d31N，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN；
当因伸张而发生弯曲时，d31i≤d31i+1，并且d311＜d31N，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
6.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，所述压电陶瓷组件为d31振动模式，通过调节施加在压电陶瓷层的电压的大小来调节压电陶瓷层的收缩量和伸张量。
7.根据权利要求6所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，距离弯曲侧最近的压电陶瓷层计为第一层，距离弯曲侧最远的压电陶瓷层计为第N层，施加在第i层的电压计为Ui，施加在第i+1层的电压计为Ui+1，i和N为自然数，1≤i≤N-1，
当因收缩而发生弯曲时，Ui≥Ui+1，并且U1＞UN，以使第i层的收缩量di≥第i+1层的收缩量di+1,并且第一层的收缩量d1＞第N层的收缩量dN；
当因伸张而发生弯曲时，Ui≤Ui+1，并且U1＜UN，以使第i层的伸张量Di≤第i+1层的伸张量Di+1,并且第一层的伸张量D1＜第N层的伸张量DN。
8.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，包括两个所述压电陶瓷组件，两个所述压电陶瓷组件连接在一起，两个所述压电陶瓷组件之间距离最近的压电陶瓷层的共用一个电极层，两个所述压电陶瓷组件被构造为：
当其中一个因收缩而发生弯曲时，另一个会因伸张而向该侧发生弯曲；
当其中一个因伸张而向另一侧发生弯曲时，另一个会因收缩而向该另一侧发生弯曲。
9.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，包括两个所述压电陶瓷组件，两个所述压电陶瓷组件连接在一起，两个所述压电陶瓷组件的距离最近的电极层之间设置有缓冲层，两个所述压电陶瓷组件被构造为：
当其中一个因收缩而发生弯曲时，另一个会因伸张而向该侧发生弯曲；
当其中一个因伸张而向另一侧发生弯曲时，另一个会因收缩而向该另一侧发生弯曲。
10.根据权利要求8或者9所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，两个所述压电陶瓷组件的压电陶瓷层的厚度沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递减。
11.根据权利要求8或者9所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，所述压电陶瓷组件为d31振动模式，两个所述压电陶瓷组件的压电陶瓷层的压电常数d31沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递增。
12.根据权利要求8或者9所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，所述压电陶瓷组件为d31振动模式，施加在两个所述压电陶瓷组件的压电陶瓷层的电压沿厚度方向由多层压电陶瓷振动元件的中间向上、下两侧逐渐递增。
13.根据权利要求9所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，所述缓冲层的厚度大于所述压电陶瓷层的厚度。
14.根据权利要求9所述的多层压电陶瓷振动元件，其特征在于，所述缓冲层的材质为未经极化的压电陶瓷材料。
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| CN103155191A (zh) * | 2010-11-01 | 2013-06-12 | 株式会社村田制作所 | 层叠型压电致动器以及压电振动装置 |
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