CN109390460A - 多层压电陶瓷执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及元器件技术领域，具体而言，涉及一种多层压电陶瓷执行器，该多层压电陶瓷执行器包括内部电极、压电陶瓷体、外部电极、柔性电极层、柔性包封层和蒸镀包封层。其中，内部电极交替设置在压电陶瓷体的内部，外部电极设置在压电陶瓷体的外部、并与内部电极电性连接，外部电极互不接触。柔性电极层设置在外部电极的外层。柔性包封层设置在柔性电极层的外层。蒸镀包封层设置在柔性包封层的外层，并将整个压电陶瓷体包裹在内。该多层压电陶瓷执行器通过在压电陶瓷体外层设置的柔性电极层、柔性包封层和蒸镀包封层，能有效防污、防湿等，提高了多层压电陶瓷执行器工作的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及元器件技术领域，具体而言，涉及一种多层压电陶瓷执行器。
背景技术
多层压电陶瓷执行器应用领域较为广泛，可以应用于精密力学及机械工程、生命科学、医学及生物学、气/液压阀、纳米定位/高速开关和主动、自适应光学等领域，多层压电陶瓷执行器的安全可靠使用对生产生活有着重要的作用。鉴于多层压电陶瓷执行器由压电材料多层叠堆构成，在工作过程中多层压电陶瓷执行器在高度方向上会形成位移或力，这就需要外部电极具有一定的弹性伸长量。现有技术主要针对多层压电陶瓷执行器的结构进行了弹性方面的优化或增配相应器件，但上述方法未考虑到多层压电陶瓷执行器在使用时电场强度高，一定的环境湿度、温度、以及过低或不足的洁净度都会使得器件失效。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多层压电陶瓷执行器，以达到防湿、防污等效果，增加多层压电陶瓷执行器运行的可靠性。
为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
本发明提供了一种多层压电陶瓷执行器，包括内部电极、压电陶瓷体、外部电极、柔性电极层、柔性包封层和蒸镀包封层。其中，内部电极设置在压电陶瓷体的内部，外部电极设置在压电陶瓷体的外部，并与内部电极电性连接。柔性电极层设置在外部电极的外层。柔性包封层设置在柔性电极层的外层。蒸镀包封层设置在柔性包封层的外层。
可选地，内部电极包括多个第一电极和多个第二电极。其中，第一电极和第二电极在压电陶瓷体的内部交替设置，第一电极和第二电极分别设置于压电陶瓷体的第一侧和第二侧，第一侧朝向第二侧。
可选地，第一电极和第二电极通过丝网印刷法固定设置于第一侧和第二侧。
可选地，外部电极包括第三电极和第四电极。其中，第三电极和第四电极设置于第一侧和第二侧的外部。第一电极和第三电极、第二电极和第四电极相匹配，第三电极和第四电极互不接触。
可选地，第一电极和第三电极、第二电极和第四电极通过烧结烧渗的方法电性连接。
可选地，柔性电极层包括第一导电胶层、导电电极层和第二胶层。其中，第一导电胶层设置在第三电极和第四电极的外层、并包裹第三电极和第四电极，包裹第三电极和第四电极的第一导电胶层互不接触。导电电极层设置在第一导电胶层的外层，导电电极层互不接触。第二胶层设置在导电电极层的外层、并包裹导电电极层、压电陶瓷体的第三侧和第四侧，其中，第三侧朝向第四侧。柔性包封层设置在第二胶层的外层、并包裹第二胶层。
可选地，第一导电胶层涂刷设置于第三电极和第四电极的外层。导电电极层按压设置于第一导电胶层的外层。第二胶层涂刷设置于导电电极层的外层。柔性包封层按压设置于第二胶层的外层。
可选地，蒸镀包封层涂敷设置于柔性包封层的外层、并包裹压电陶瓷体。
可选地，在蒸镀包封层的外壁上，与第一侧和第二侧相对应的位置处分别设置有第一孔集和第二孔集，第一孔集和第二孔集位置相对。
可选地，第一孔集和第二孔集中分别包括至少一个预留孔，焊接导线能够穿过第一孔集和第二孔集并焊接在导电电极层或外部电极上。
本发明实施例提供的多层压电陶瓷执行器，使用柔性电极层将外部电极包裹封装，柔性包封层将柔性电极层包裹封装，蒸镀包封层将柔性包封层以及整个压电陶瓷体包裹封装，如此设置能达到对多层压电陶瓷执行器的防污、防湿等效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种包封前的多层压电陶瓷执行器结构示意图。
图2为本发明实施例所提供的一种包封后的多层压电陶瓷执行器结构示意图。
图3为本发明实施例所提供的一种包封后的多层压电陶瓷执行器第一视角示意图。
图4为本发明实施例所提供的一种包封后的多层压电陶瓷执行器第二视角示意图。
图5为本发明实施例所提供的一种包封后的多层压电陶瓷执行器第三视角示意图。
图6为本发明实施例所提供的另一种包封后的多层压电陶瓷执行器结构示意图。
图7为本发明实施例所提供的另一种包封后的多层压电陶瓷执行器第四视角示意图。
图8为本发明实施例所提供的另一种包封后的多层压电陶瓷执行器第五视角示意图。
图标：100-多层压电陶瓷执行器；1-内部电极；11-第一电极；12-第二电极；2-压电陶瓷体；21-第一侧；22-第二侧；23-第三侧；24-第四侧；3-外部电极；31-第三电极；32-第四电极；4-柔性电极层；41-第一导电胶层；42-导电电极层；43-第二胶层；5-柔性包封层；6-蒸镀包封层；61-第一外壁；62-第二外壁；71-第一孔集；711-第一焊接部；72-第二孔集；721-第二焊接部；8-焊接导线。
具体实施方式
多层压电陶瓷执行器应用广泛，其可靠安全运行对于生产生活相当重要，鉴于多层压电陶瓷执行器由压电材料多层叠堆构成，在工作过程中多层压电陶瓷执行器在高度方向上会形成位移或力，这就需要外部电极具有一定的弹性伸长量。
经调查发现，目前现有技术主要针对多层压电陶瓷执行器的结构进行弹性方面的优化或增配相应器件，但上述方法未考虑到多层压电陶瓷执行器在使用时电场强度高，一定的环境湿度、温度、以及过低或不足的洁净度都会使得器件失效。
基于上述研究，本发明实施例提供了一种多层压电陶瓷执行器，以达到防湿、防污等效果，增加多层压电陶瓷执行器运行的可靠性。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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定义和解释。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1，一种多层压电陶瓷执行器100，在包封之前包括内部电极1、压电陶瓷体2和外部电极3。内部电极1和压电陶瓷体2固定连接，内部电极1和外部电极3电性连接。其中，压电陶瓷体2的形状有很多种，例如圆柱体、立方体等，在本实施例中，压电陶瓷体2的形状选用但不限于长方体。
请结合参照图2，内部电极1包括第一电极11和第二电极12，第一电极11和第二电极12在压电陶瓷体2内部交替设置，形成压电陶瓷堆叠。例如，第一层设置第二电极12，第二层设置第一电极11，第三层设置第二电极12，以此类推。需要注意的是，本实施例中的第一电极11和第二电极12分别指代第一电极和第二电极的集合，第一电极11和第二电极12的数量依照实际需求而设定，本实施例中第一电极11和第二电极12的数量并不是对本技术方案的限定。
其中，第一电极11和第二电极12分别设置于压电陶瓷体2的第一侧21和第二侧22，第一侧21朝向第二侧22，在本实施例中，第一电极11和第二电极12采用丝网印刷法分别印刷到第一侧21和第二侧22上。
外部电极3包括第三电极31和第四电极32，第三电极31和第四电极32设置于第一侧21和第二侧22的外部，第三电极31和第四电极32互不接触。例如，第一电极11设置在第一侧21的内部，第三电极31设置在第一侧21的外部，第二电极12设置在第二侧22的内部，第四电极32设置在第二侧22的外部。第一电极11与第三电极31、第二电极12与第四电极32相匹配，第一电极11与第三电极31、第二电极12与第四电极32电性连接。一般的电性连接方法有烧渗、化学沉积和真空镀膜等，本实施例采用但不限于烧渗法进行电性连接。第一电极11和第二电极12在压电陶瓷体2的内部按照预定位置堆叠达到预定层数后，经静压、切割后烧结，烧渗第三电极31和第四电极32，达到第一电极11与第三电极31、第二电极12与第四电极32的电性连接，此时第三电极31和第四电极32可以为烧渗电极。
可选地，压电陶瓷体2的制作材料有很多类，例如：无铅类的钛酸钡类(BaTiO3)，其原材料有二氧化钛、碳酸钡、碳酸锶等。锆钛酸铅类(PbZrTiO3)，其原材料有二氧化钛、氧化锆、氧化铅、碳酸锶、氧化铌、氧化镧等。铌镁酸铅类(PbNbMgO3)，其原材料有氧化铌、氧化镁、氧化铅、碳酸锶、氧化镧等。本实施例中的压电陶瓷体2的制作材料选用但不限于锆钛酸铅(PZT)类。
图2、图3分别示出了多层压电陶瓷执行器100在包封之后的结构示意图和第一视角剖面示意图。
结合图3可以看出，封装后的多层压电陶瓷执行器100还包括第二胶层43、柔性包封层5和蒸镀包封层6。第二胶层43设置在压电陶瓷体2的外层、包裹压电陶瓷体2的第一侧21、第二侧22、第三侧23和第四侧24。柔性包封层5设置在第二胶层43的外层、并包裹第二胶层43。蒸镀包封层6设置在柔性包封层5的外层、并将压电陶瓷体2整体包裹。
请继续参照图2，柔性电极层4包括第一导电胶层41、导电电极层42和第二胶层43。
其中，第一导电胶层41设置在第三电极31和第四电极32的外层，并包裹第三电极31和第四电极32。需要注意的是，第三电极31和第四电极32互不接触，相应地，包裹第三电极31和第四电极32的第一导电胶层41互不接触。导电电极层42设置在第一导电胶层41的外层，相应地，导电电极层42互不接触。第二胶层43设置在导电电极层42的外层，需要注意的是，第二胶层43不仅包裹导电电极层42，还包裹第三侧23和第四侧24。例如，第二胶层43环绕包裹第一侧21、第二侧22、第三侧23和第四侧24。柔性包封层5设置在第二胶层43的外层，相应地，柔性包封层5将第二胶层43环绕包裹。
其中，第一导电胶层41涂刷设置于第三电极31和第四电极32的外层。导电电极层42按压设置于第一导电胶层41的外层。第二胶层43涂刷设置于导电电极层42的外层。柔性包封层5按压设置于第二胶层43的外层。蒸镀包封层6涂敷设置于柔性包封层5的外层。需要注意的是，蒸镀包封层6将压电陶瓷体2整体包裹。
可选地，第一导电胶层41制作材料可选用但不限于丙烯酸加导电金属粉末，其中第一导电胶层41的厚度范围是20～40μm。导电电极层42的制作材料为可焊接的金属导体，在本实施例中，导电电极层42的制作材料选用但不限于铜箔，其厚度范围是40～60μm。第二胶层43的制作材料选用但不限于绝缘胶，其厚度范围是10～20μm。柔性包封层5的制作材料可选用但不限于聚酰亚胺，其厚度范围是12.5～25μm，聚酰亚胺综合性能很佳，如良好的电绝缘性能、无毒等，用该材料进行封装可靠性高。蒸镀包封层6的制作材料可选用但不限于派瑞林，其厚度范围是2～5μm，派瑞林具有抗酸碱腐蚀、抗冻、低气体渗透性、绝缘强度高等优点，是现如今非常有效的防潮、防霉、防腐、防盐雾涂层材料，并且采用派瑞林对柔性包封层进行涂层，能做到涂层的均匀一致以及极薄的涂层厚度。通过蒸镀包封层6、柔性包封层5的包封，能显著增强多层压电陶瓷执行器100的防污、防湿等特性。
图4示出了本发明一种实施例所提供的包封后的多层压电陶瓷执行器100的第二视角示意图，由图可知，蒸镀包封层6与第一侧21相应的第一外壁61设置有第一孔集71。同理，如图5所示，蒸镀包封层6与第二侧22相应的第二外壁62上设置有数量与第一孔集71相匹配的第二孔集72，第一孔集71和第二孔集72相对设置。
请继续参照图2，第一孔集71和第二孔集72中分别包括至少一个预留孔，焊接导线8通过第一孔集71和第二孔集72焊接在导电电极层42上。其中，焊接导线8通过第一孔集71焊接在导电电极层42上，焊接导线8通过第二孔集72焊接在导电电极层42上。
多层压电陶瓷执行器100可以将机械效应转化为电效应，处于工作状态时，压电陶瓷体2会有变形，沿着极化方向伸长或者缩短，此时，柔性电极层4具有弹性性能，能根据压电陶瓷体2的形变做相应的拉伸或压缩，由于抗拉强度有限，在拉伸过程中可能会使柔性电极层4断裂，影响多层压电陶瓷执行器100的正常稳定工作，此时可以增加导电电极层42如铜箔的厚度以增加抗拉强度，但这样会增加制造成本，也会使多层压电陶瓷执行器100的体积增大。
针对上述情况，本发明提供的另一种实施例可以解决上述问题。请参照图6。
图6示出了本发明另一种实施例所提供的包封后的多层压电陶瓷执行器100的结构示意图。由图可见，焊接导线8通过第一孔集71焊接到第三电极31上，焊接导线8通过第二孔集72焊接到第四电极32上。
图7示出了本发明另一种实施例所提供的包封后的多层压电陶瓷执行器第四视角示意图。由图可见，第一焊接部711的位置与第一孔集71的位置相对应，第一焊接部711设置在导电电极层42上，焊接导线8通过第一焊接部711焊接至第三电极31，使导电电极层42与第三电极31电性连接。同理，由图8可见，第二焊接部721的位置与第二孔集72的位置相对应，第二焊接部721设置在导电电极层42上，焊接导线8通过第二焊接部721焊接至第四电极32，使导电电极层42与第四电极32电性连接。在本实施例中，第一焊接部711和第二焊接部721为圆形孔。
通过上述焊接，焊接导线8穿过导电电极层42焊接至外部电极3，能有效增强焊接部位特别是导电电极层42的抗拉强度，此时可适当减少导电电极层42的厚度，节约制造成本。
综上，本发明实施例提供了一种多层压电陶瓷执行器100，对结构进行了巧妙设计，柔性包封层5和蒸镀包封层6的使用能很好地解决在多层压电陶瓷执行器100使用场强高时，一定环境因素变化导致的器件失效。蒸镀包封层6选用材料派瑞林，其抗酸碱腐蚀、抗冻以及经济性等优点能保证多层压电陶瓷执行器100在复杂的工作环境下能够正常稳定运行，其涂抹厚度均匀，无针孔，能有效隔离对多层压电陶瓷执行器100有损害的气体，做到高质量的防污、防湿等。柔性包封层5选用材料聚酰亚胺，具有良好的电绝缘性能，封装可靠性高。其次，通过焊接导线8焊接至外部电极3，能有效增强焊接部位特别是导电电极层42的抗拉强度，从而减少导电电极层42的厚度，节约了制造成本同时提高了多层压电陶瓷执行器100的工作性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多层压电陶瓷执行器，其特征在于，包括内部电极、压电陶瓷体、外部电极、柔性电极层、柔性包封层和蒸镀包封层；
所述内部电极设置在所述压电陶瓷体的内部，所述外部电极设置在所述压电陶瓷体的外部、并与所述内部电极电性连接；
所述柔性电极层设置在所述外部电极的外层；
所述柔性包封层设置在所述柔性电极层的外层；
所述蒸镀包封层设置在所述柔性包封层的外层。
2.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，所述内部电极包括多个第一电极和多个第二电极；
所述第一电极和所述第二电极在所述压电陶瓷体的内部交替设置，所述第一电极和所述第二电极分别设置于所述压电陶瓷体的第一侧和第二侧，所述第一侧朝向所述第二侧。
3.根据权利要求2所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极通过丝网印刷法固定设置于所述第一侧和所述第二侧。
4.根据权利要求3所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，所述外部电极包括第三电极和第四电极；
所述第三电极和所述第四电极设置于所述第一侧和所述第二侧的外部，所述第一电极和所述第三电极、所述第二电极和所述第四电极相匹配；
所述第三电极和所述第四电极互不接触。
5.根据权利要求4所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，所述第一电极和所述第三电极、所述第二电极和所述第四电极通过烧结烧渗的方法电性连接。
6.根据权利要求5所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，所述柔性电极层包括第一导电胶层、导电电极层和第二胶层；
所述第一导电胶层设置在所述第三电极和所述第四电极的外层，并包裹所述第三电极和所述第四电极，包裹所述第三电极和所述第四电极的所述第一导电胶层互不接触；
所述导电电极层设置在所述第一导电胶层的外层，所述导电电极层互不接触；
所述第二胶层设置在所述导电电极层的外层、并包裹所述导电电极层、所述压电陶瓷体的第三侧和第四侧，所述第三侧朝向所述第四侧；
所述柔性包封层设置在所述第二胶层的外层、并包裹所述第二胶层。
7.根据权利要求6所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，所述第一导电胶层涂刷设置于所述第三电极和第四电极；
所述导电电极层按压设置于所述第一导电胶层的外层；
所述第二胶层涂刷设置于所述导电电极层的外层；
所述柔性包封层按压设置于所述第二胶层的外层。
8.根据权利要求7所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，所述蒸镀包封层涂敷设置于所述柔性包封层的外层、并包裹所述压电陶瓷体。
9.根据权利要求8所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，在所述蒸镀包封层的外壁上，与所述第一侧和所述第二侧相对应的位置处分别设置有第一孔集和第二孔集，所述第一孔集和所述第二孔集位置相对。
10.根据权利要求9所述的多层压电陶瓷执行器，其特征在于，所述第一孔集和所述第二孔集中分别包括至少一个预留孔，焊接导线能够穿过所述第一孔集和所述第二孔集焊接在所述导电电极层或所述外部电极上。
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