CN110429175A - 一种扭转振动晶片和制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种扭转振动晶片和制造方法，包括由多片扇形扭转振动晶片围合成的环形结构，相邻两片扭转振动晶片之间通过粘结性聚合物连接，在环形结构上下两端面上设有导电层。本发明用于解决现有扭转晶片极化难、成本高和功率容量小，且尺寸较大时会出现电极击穿和极化不完全等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种扭转振动晶片和制造方法。
背景技术
扭转振动晶片广泛应用于旋转型超声马达、超声波焊接、超声波疲劳试验及振动切削、打孔、研磨、超声外科手术等扭转、弯曲和纵一扭以及纵一弯复合模式振动系统中。扭转振动晶片是振动系统的核心部件，起到了将电能转化为机械能的作用，根据设计好的振动模态和机械结构，可以将交变的电信号转化为扭转运动。
相关技术文献较多，但多侧重于介绍扭转换能器的设计和研制，较少关注扭转振动晶片的制作，涉及到扭转振动晶片的文献1（潘祥生，张德远.基于有限元法的超声扭转换能器研究.2006.10）中也指出了“采用把方形压电陶瓷片拼接在一起或对圆形压电陶瓷片直接进行切向极化的方法。利用方形压电陶瓷片拼接,制作简单，成本低，但扭转振动效果较差；切向极化的压电陶瓷片扭转振动效果好，但极化难、成本高和功率容量小，且尺寸较大时会出现电极击穿和极化不完全等问题”，该文献中设计的扭转晶片（见图6）与我方申请专利的扭转晶片几何形状、制作方法区别较大。文献2（党长久，杨玉瑞，李明杆.一种扭转压电复合材料）中介绍了两种实现扭转功能的压电复合材料（见图7），与我方申请专利的扭转晶片差异更大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种扭转振动晶片和制造方法，用于解决现有扭转晶片极化难、成本高和功率容量小，且尺寸较大时会出现电极击穿和极化不完全等问题。
为了解决上述问题，本发明要解决的技术方案为：
一种扭转振动晶片，包括由多片扇形扭转振动晶片围合成的环形结构，相邻两片扭转振动晶片之间通过粘结性聚合物连接，在环形结构上下两端面上设有导电层。
所述导电层为导电胶。
所述导电层为磁控溅射镀铜、镍、钛或银，或者上述金属的组合。
一种制作扭转振动晶片的方法，包括如下步骤：
S1：采用低介电常数大功率发射材料配方配料；
S2：配料经混料、烘干、预压后高温预烧成压电陶瓷毛坯；
S3：压电陶瓷毛坯经机械加工，制备成具有要求尺寸精度和表面粗糙度的半成品压电陶瓷；
S4：利用切割定位夹具对半成品压电陶瓷定位后，使用划片机切割或内圆切割机切割，制备成多片扇形扭转振动晶片;
S5：经清洗，为各瓣扭转振动晶片涂覆几段电极，并将分段电极分别焊接导线。
S6：利用导线对各瓣扭转振动晶片进行充分极化。
S7：测试各瓣扭转振动晶片性能与尺寸，挑选性能合格的多瓣各瓣扭转振动晶片组成一组。
S8：用硝酸溶液化学去除各瓣扭转振动晶片电极。
S9：将多瓣扭转振动晶片放于灌注模具中，向各瓣扭转振动晶片间隙中灌注粘结性聚合物，固化后形成整片，去除多余聚合物；
S10：为整片在上下两端面上导电胶或磁控溅射镀铜、镍、钛或银，或者上述金属的组合，经机械加工去除多余物，达到要求尺寸精度，最终制备成多瓣扭转振动晶片。
在上述S2中，配料先经过900℃左右高温预烧，制备成具有钙钛矿结构的锆钛酸铅系料块，经过搅拌球磨机或滚动球磨机粉碎后，配料被压力增塑造粒后干压成型，接着被1300℃左右高温烧结，制备成晶粒尺寸平均粒径约2微米左右的压电陶瓷毛坯。
在上述S4中，利用切割定位夹具对半成品压电陶瓷定位后，使用划片机切割或内圆切割机切割，制备成8片扇形扭转振动晶片。
所述切割定位夹具包括定位块，定位块内设有用于容纳半成品压电陶瓷的凹槽，在凹槽四周定位块开设有多条切割缝，各条切割缝是绕着凹槽轴线均匀分布，在将半成品压电陶瓷放入到凹槽中后，切割机以各条切割缝做为导向对各半成品片压电陶瓷片进行切割，每切割一刀，需要向切割出的半成品压电陶瓷缝隙中塞入瓣间分割片。
所述灌注模具包括切割定位夹具、内孔定位销柱、加压盖与夹持工装，所述夹持工装包括门架，门架上安装有螺杆；将性能合格的多片振动晶片放入定位块中后，将内孔定位销柱装入凹槽内，并将多片瓣间分割片插入各片振动晶片之间缝隙中，随后在定位块凹槽内装入加压盖，并放入到门架内，使用螺杆压持压盖将各片振动晶片压紧固定，随后抽出各片瓣间分割片，最后将夹持工装和振动晶片一起投入到装有粘结性聚合物的容器中，让粘结性聚合物进入瓣间缝隙中。
本发明的技术效果为：采用低介电常数大功率发生材料配方，一方面使晶片功率容量较大，另一方面便于与振动系统的电路进行匹配。采用切割法制备扇形单瓣，精度较高。采用焊接导线分段极化扇形单瓣，可使扇形单瓣得以充分极化，最大限度地发挥压电效应。通过挑选性能和尺寸一致性，8瓣扇形扭转振动晶片组成一组，保证整片性能一致、稳定和尺寸精度较高。采用化学法去除电极，能保证扇形扭转振动晶片的尺寸精度不受影响。采用导电胶或磁控溅射在上下端面上电极，可激发出扇形扭转振动晶片的切变振动，最终为整片的扭转振动奠定基础。最后采用机械加工去除多余物，能进一步保证尺寸精度。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明的主视结构示意图，
图2为本发明的立体结构示意图，
图3为本发明关于切割定位夹具的主视图，
图4为本发明关于切割定位夹具的立体结构示意图，
图5为本发明关于灌注模具的剖面结构示意图，
图6为上述背景技术中提及到的文献1中设计的扭转振动晶片示意图，
图7为上述背景技术中提及到的文献2中介绍的两种压电复合材料振动晶片示意图。
图中：环形结构1、振动晶片2、粘结性聚合物3、定位块4、凹槽41、切割缝42、瓣间分割片5、定位销柱6、门架7、螺杆8、加压盖9。
具体实施方式
如图1和2所示，一种扭转振动晶片，包括由多片扇形扭转振动晶片1围合成的环形结构1，相邻两片扭转振动晶片1之间通过粘结性聚合物3连接，在环形结构1上下两端面上设有导电层。
所述导电层为导电胶。
所述导电层为磁控溅射镀铜、镍、钛或银，或者上述金属的组合。
一种制作扭转振动晶片1的方法，包括如下步骤：
S1：采用低介电常数大功率发射材料配方配料；以重量计，具体配方如下：
红丹粉55~70份，钛白粉10~15份，氧化锆15~25份，碳酸锶1~5份，碳酸钙0.1~0.5份，氧化铁0.1~0.5份，氧化锰0.2~1.2份，氧化铝0.3~0.5份；
该配方相对介电常数为800~1025，压电系数为150×10-12~250×10-12C/N，介电损耗不大于0.4%.该配方可以在较为宽广的范围内调节性能，配方、工艺参数调节方法简单易行，能更好地与后方电路进行匹配。其较低的介电损耗、较高的压电常数使该种材料特别适宜于水声、超声换能器领域中作大功率发射元件用。
S2：配料经混料、烘干、预压后高温预烧成压电陶瓷毛坯；
S3：压电陶瓷毛坯经机械加工，制备成具有要求尺寸精度和表面粗糙度的半成品压电陶瓷；
S4：利用切割定位夹具对半成品压电陶瓷定位后，使用划片机切割或内圆切割机切割，制备成8片扇形扭转振动晶片1;
S5：经清洗，为各瓣扭转振动晶片1涂覆几段电极，并将分段电极分别焊接导线。
S6：利用导线对各瓣扭转振动晶片1进行充分极化。
S7：测试各瓣扭转振动晶片1性能与尺寸，挑选性能合格的多瓣各瓣扭转振动晶片1组成一组。
S8：用硝酸溶液化学去除各瓣扭转振动晶片1电极。
S9：将多瓣扭转振动晶片1放于灌注模具中，向各瓣扭转振动晶片1间隙中灌注粘结性聚合物3，固化后形成整片，去除多余聚合物；
S10：为整片在上下两端面上导电胶或磁控溅射镀铜、镍、钛或银，或者上述金属的组合，经机械加工去除多余物，达到要求尺寸精度，最终制备成多瓣扭转振动晶片1。
在上述S2中，配料先经过900℃左右高温预烧，制备成具有钙钛矿结构的锆钛酸铅系料块，经过搅拌球磨机或滚动球磨机粉碎后，配料被压力增塑造粒后干压成型，接着被1300℃左右高温烧结，制备成晶粒尺寸平均粒径约2微米左右的压电陶瓷毛坯。
如图3和4所示，所述切割定位夹具包括定位块4，定位块4内设有用于容纳半成品压电陶瓷的凹槽41，在凹槽41四周定位块4开设有多条切割缝42，各条切割缝42是绕着凹槽41轴线均匀分布，在将半成品压电陶瓷放入到凹槽41中后，切割机以各条切割缝42做为导向对各半成品片压电陶瓷片进行切割，每切割一刀，需要向切割出的半成品压电陶瓷缝隙中塞入瓣间分割片5，由瓣间分割片5对相邻两片压电陶瓷片之间的缝隙进行填充，防止切割时，半成品压电陶瓷串动。
如图5所示，所述灌注模具包括切割定位夹具、内孔定位销柱6、加压盖9与夹持工装，所述夹持工装包括门架7，门架7上安装有螺杆8；将性能合格的多片振动晶片1放入定位块4中后，将内孔定位销柱6装入凹槽41内，让各片振动晶片1内弧面贴在定位销柱6上，并将多片瓣间分割片5插入各片振动晶片1之间缝隙中，随后在定位块4凹槽41内装入加压盖9，并放入到门架7内，使用螺杆8压持压盖将各片振动晶片1压紧固定，随后抽出各片瓣间分割片5，最后将夹持工装和振动晶片1一起投入到装有粘结性聚合物3的容器中，让粘结性聚合物3进入瓣间缝隙中。由于瓣间分割片5是在振动晶片1完全固定后才被抽出，因此能够保持相邻两片振动晶片1之间间隙相等，确保充入同量粘结性聚合物3。
Claims (8)
1.一种扭转振动晶片，其特征在于：包括由多片扇形扭转振动晶片（1）围合成的环形结构（1），相邻两片扭转振动晶片（1）之间通过粘结性聚合物（3）连接，在环形结构（1）上下两端面上设有导电层。
2.根据权利要求1所述一种扭转振动晶片，其特征在于：所述导电层为导电胶。
3.根据权利要求1所述一种扭转振动晶片，其特征在于：所述导电层为磁控溅射镀铜、镍、钛或银，或者上述金属的组合。
4.一种制作权利要求1到4任一项所述扭转振动晶片的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：采用低介电常数大功率发射材料配方配料；
S2：配料经混料、烘干、预压后高温预烧成压电陶瓷毛坯；
S3：压电陶瓷毛坯经机械加工，制备成具有要求尺寸精度和表面粗糙度的半成品压电陶瓷；
S4：利用切割定位夹具对半成品压电陶瓷定位后，使用划片机切割或内圆切割机切割，制备成多片扇形扭转振动晶片（1）;
S5：经清洗，为各瓣扭转振动晶片（1）涂覆几段电极，并将分段电极分别焊接导线；
S6：利用导线对各瓣扭转振动晶片（1）进行充分极化；
S7：测试各瓣扭转振动晶片（1）性能与尺寸，挑选性能合格的多瓣各瓣扭转振动晶片（1）组成一组；
S8：用硝酸溶液化学去除各瓣扭转振动晶片（1）电极；
S9：将多瓣扭转振动晶片（1）放于灌注模具中，向各瓣扭转振动晶片（1）间隙中灌注粘结性聚合物（3），固化后形成整片，去除多余聚合物；
S10：为整片在上下两端面上导电胶或磁控溅射镀铜、镍、钛或银，或者上述金属的组合，经机械加工去除多余物，达到要求尺寸精度，最终制备成多瓣扭转振动晶片（1）。
5.根据权利要求4所述的一种扭转振动晶片的方法，其特征在于：在上述S2中，配料先经过900℃左右高温预烧，制备成具有钙钛矿结构的锆钛酸铅系料块，经过搅拌球磨机或滚动球磨机粉碎后，配料被压力增塑造粒后干压成型，接着被1300℃左右高温烧结，制备成晶粒尺寸平均粒径约2微米左右的压电陶瓷毛坯。
6.根据权利要求4或5所述的一种扭转振动晶片的方法，其特征在于：在上述S4中，利用切割定位夹具对半成品压电陶瓷定位后，使用划片机切割或内圆切割机切割，制备成8片扇形扭转振动晶片（1）。
7.根据权利要求4或5所述的一种扭转振动晶片的方法，其特征在于：在上述S4中，所述切割定位夹具包括定位块（4），定位块（4）内设有用于容纳半成品压电陶瓷的凹槽（41），在凹槽（41）四周定位块（4）开设有多条切割缝（42），各条切割缝（42）是绕着凹槽（41）轴线均匀分布；在将半成品压电陶瓷放入到凹槽（41）中后，切割机以各条切割缝（42）做为导向，对各半成品片压电陶瓷片进行切割，每切割一刀，需要向切割出的半成品压电陶瓷缝隙中塞入瓣间分割片（5）。
8.根据权利要求7所述的一种扭转振动晶片的方法，其特征在于：在上述S9中，所述灌注模具包括切割定位夹具、内孔定位销柱（6）、加压盖（9）与夹持工装，所述夹持工装包括门架（7），门架（7）上安装有螺杆（8）；将性能合格的多片振动晶片（1）放入定位块（4）中后，将内孔定位销柱（6）装入凹槽（41）内，并将多片瓣间分割片（5）插入各片振动晶片（1）之间缝隙中，随后在定位块（4）凹槽（41）内装入加压盖（9），并放入到门架（7）内，使用螺杆（8）压持压盖将各片振动晶片（1）压紧固定，随后抽出各片瓣间分割片（5），最后将夹持工装和振动晶片（1）一起投入到装有粘结性聚合物（3）的容器中，让粘结性聚合物（3）进入瓣间缝隙中。
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|---|---|---|---|---|
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2019
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| CN115259838B (zh) * | 2022-08-19 | 2023-10-20 | 中船重工海声科技有限公司 | 一种扭转振动晶环及其制作方法 |
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