CN219536760U - 一种叠层压电振子 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种叠层压电振子，该叠层压电振子包括压电陶瓷组件及与所述压电陶瓷组件连接的导杆，所述压电陶瓷组件包括压电陶瓷堆、极化金属层和工作金属层，所述压电陶瓷堆由多个带有电极片的压电陶瓷片堆叠而成，相邻两层所述压电陶瓷片的极化方向相反；所述压电陶瓷堆的两个相对的第一平面均设置电极片，所述压电陶瓷堆的两个相对的第二平面或第三平面均设置极化金属层，所述压电陶瓷堆的两个相对的第三平面或第二平面均设置工作金属层。本实用新型的叠层压电振子相比于现有的压电陶瓷驱动器有着更大的位移距离，对焦效果更好。

Description

一种叠层压电振子

技术领域

本实用新型涉及光学元件驱动技术领域，尤其是涉及一种叠层压电振子。

背景技术

压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，能够将机械能和电能互相转换。压电陶瓷不仅具有压电性，还具有介电性、弹性等多种优良性能，压电陶瓷在机械应力作用下，能够引起内部正负电荷中心产生相对位移而发生极化，导致其两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应。随着科技的进步，压电陶瓷已被广泛应用于微电机、医学成像、声传感器、精密仪器及超声马达等多个领域。

叠层压电陶瓷又被称为压电致动器、压电执行器、压电促动器等，堆叠型压电陶瓷是将大量压电陶瓷基片，通过叠层粘结共烧工艺制成的（单层压电陶瓷基片的厚度为100μm左右），这种工艺制备的压电陶瓷可以承受很大的压力，其供电电极被设计在陶瓷薄片的两侧，压电陶瓷的整个截面均可参加致动，驱动力大，性能可以完好展现，而且不存在局部电场变形，不易出现点应力，同时也拥有陶瓷成分均匀，性能稳定，容易加工，低成本和成型多样性等优点，具有广阔的应用前景。

现有的压电驱动器多数都是整体统一发生形变，整个压电陶瓷驱动器的运动趋势是统一的，在相同的方向上产生形变，从而使压电驱动器的位移距离小。而且由于一整块压电陶瓷厚度大，需要的工作电压就越大，降低了机器的使用性能。

目前，叠层压电陶瓷大都采用以下方法来制作：一种是将块状陶瓷或单晶按照一定尺寸切成薄片，然后在厚度方向喷涂电极并在一定条件下极化，再通过环氧树脂(有机粘合剂)按照极性相对的方式堆叠在一起，这种方法制作的驱动器机械性能较低，且加工困难，成本较高，粘接层对性能也有一定的影响；另一种是采用流延成型的方式，在陶瓷厚膜上刷上内电极，沿着厚度方向堆叠在一起再进行一体化烧结，这种方式制作的叠层驱动器成本较低，机械性能较高，且易于加工，所以第二种方式更有利于商业化推广。但是目前用于制作叠层驱动器的压电陶瓷性能普遍较低，为了满足日益增加的应用需求，压电陶瓷的性能需要进一步的提高。

实用新型内容

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种叠层压电振子。

为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

本实用新型提供一种叠层压电振子，包括压电陶瓷组件及与所述压电陶瓷组件连接的导杆，所述压电陶瓷组件包括压电陶瓷堆、极化金属层和工作金属层，所述压电陶瓷堆由多个带有电极片的压电陶瓷片堆叠而成，相邻两层所述压电陶瓷片的极化方向相反；所述压电陶瓷堆的两个相对的第一平面均设置电极片，所述压电陶瓷堆的两个相对的第二平面或第三平面均设置极化金属层，所述压电陶瓷堆的两个相对的第三平面或第二平面均设置工作金属层；所述压电陶瓷堆沿高度方向分成I区域、II区域与III区域，所述I区域内所有奇数层的所述压电陶瓷片所匹配的所述电极片相同，所述I区域内所有偶数层的所述压电陶瓷片所匹配的所述电极片相同，且所述I区域内所述偶数层的电极片与所述奇数层的电极片不同；所述II区域内所有奇数层的所述压电陶瓷片所匹配的所述电极片相同；所述II区域内所有偶数层的所述压电陶瓷片和所述III区域内的所述压电陶瓷片所匹配的所述电极片相同，且所述II区域内所述偶数层的电极片与所述奇数层的电极片不同。

进一步地，所述压电陶瓷片的数量为N，且N≥2。

进一步地，所述电极片设有极化导电端和工作导电端，所述极化导电端与两个所述第二平面或两个所述第三平面平齐，相邻两片所述电极片的所述极化导电端所对应平面不同；所述工作导电端与两个所述第三平面或两个所述第二平面平齐，相邻两片所述电极片的所述工作导电端所对应平面不同或者相同；所述极化导电端与所述工作导电端所对齐平面不同。

进一步地，所述电极片的数量为M，且M≥2。

进一步地，所述极化金属层的数量为两个，两个所述极化金属层分别设于两个所述第二平面或两个所述第三平面，且两个所述极化金属层分别与两个所述第二平面或两个所述第三平面上的所述极化导电端对应电连接。

进一步地，所述工作金属层的数量为两个，两个所述工作金属层分别设于两个所述第三平面或两个所述第二平面，且两个所述工作金属层分别与两个所述第三平面或两个所述第二平面上的所述工作导电端对应电连接。

进一步地，所述压电陶瓷组件设有裁切端，所述裁切端为裁切掉沿所述极化导电端与所述极化金属层所在平面将部分或全部所述极化导电端与全部所述极化金属层去除。

进一步地，所述极化金属层与所述工作金属层所处平面不同。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种叠层压电振子，具有以下优点：

1、本实用新型将原有直线振动驱动改为弯曲振动驱动，位移距离更远，对焦速度更快。本实用新型的叠层压电振子由于处于中间的压电陶瓷片在工作中两端无电势差，自身不会发生形变，而其两端的其余压电陶瓷片形变方向相反，但运动趋势相同，这样的结构相比于现有的压电陶瓷驱动器有着更大的位移距离，对焦效果更好。

2.本实用新型可以实现低压驱动，降低手机功耗，提升手机性能。根据公式E=V/h，其中E为电动势，也可称作电场强度，V为工作电压，h为压电陶瓷的厚度，在电动势E一定的情况下，压电陶瓷厚度h越小，工作电压V就越小。本实用新型为堆叠型压电陶瓷片，各个压电陶瓷片为并联结构，因此压电陶瓷的厚度h可以视为单层压电陶瓷片的厚度，远小于传统一整块压电陶瓷厚度，因此可以实现低压驱动。

3.本实用新型结构简单，成本低，体积小，节省空间，可以有效减少杂波干扰。

附图说明

图1是本实用新型一种叠层压电振子的整体结构示意图；

图2是本实用新型压电陶瓷组件的结构示意图；

图3是本实用新型压电陶瓷组件的极化方向示意图；

图4是本实用新型电极片的极化导电端示意图；

图5是本实用新型电极片的工作导电端示意图；

图6是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式一侧视示意图；

图7是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式一俯视示意图；

图8是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式一的极化电路连接图；

图9是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式一的驱动电路连接图；

图10是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式一的驱动电路与极化方向示意图；

图11是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式一的I区域运动方向变化图；

图12是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式一的II区域运动方向变化图；

图13是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式一的整体运动方向变化图；

图14是本实用新型压电陶瓷片及电极片排列方式二侧视示意图；

图15是传统非叠层压电陶瓷器件不同驱动电压条件下的振幅示意图；

图16是传统非叠层压电陶瓷器件不同驱动电压条件下的振幅示意图；

图17是本实用新型叠层压电振子不同驱动电压条件下的振幅示意图；

图18是三种压电陶瓷器件在不同驱动电压条件下的振幅值。

图中：10、压电陶瓷组件；11、压电陶瓷堆；111、压电陶瓷片；112、电极片；1121、极化导电端；1122、工作导电端；113、第一平面；114、第二平面；115、第三平面；116、I区域；117、II区域；118、III区域；12、极化金属层；13、工作金属层；14、裁切端；20、导杆。

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。

实施例

下面结合附图对本实用新型做进一步详述：

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供一种叠层压电振子，用于驱动镜头组件。该叠层压电振子包括压电陶瓷组件10和导杆20，导杆20的一端与压电陶瓷组件10连接，通过压电陶瓷组件10振动带动导杆20振动，以调节镜头组件的焦距。

具体地，参照图2和图3，压电陶瓷组件10包括压电陶瓷堆11、极化金属层12和工作金属层13。压电陶瓷堆11由多个带有电极片112的压电陶瓷片111堆叠而成，相邻两层压电陶瓷片111的极化方向相反。其中，压电陶瓷片111的数量为N，且N≥2。电极片112的数量为M，且M≥2。M和N相同或不同。压电陶瓷堆11的两个相对的第一平面113均设置电极片112，压电陶瓷堆11的两个相对的第二平面114或第三平面115均设置极化金属层12，压电陶瓷堆11的两个相对的第三平面115或第二平面114均设置工作金属层13。需要说明的是，极化金属层12与工作金属层13所处平面不同。即极化金属层12处于压电陶瓷堆11的两个相对的第二平面114时，工作金属层13处于压电陶瓷堆11的两个相对的第三平面115或极化金属层12处于压电陶瓷堆11的两个相对的第三平面115时，工作金属层13处于压电陶瓷堆11的两个相对的第二平面114。

压电陶瓷堆11沿高度方向分成I区域116、II区域117与III区域118，I区域116内所有奇数层的压电陶瓷片111所匹配的电极片112相同，I区域116内所有偶数层的压电陶瓷片111所匹配的电极片112相同。II区域117内所有奇数层的压电陶瓷片111所匹配的电极片112相同。II区域117内所有偶数层的压电陶瓷片111和III区域118内的压电陶瓷片111所匹配的电极片112相同，且偶数层的电极片112与奇数层的电极片112不同。具体参见图6和图7，I区域116设置两块压电陶瓷片111，分别为奇数层I-1和偶数层I-2，以及两块电极片112，分别为对应奇数层的d1和对应偶数层的d2。II区域117设置三块压电陶瓷片111，分别为奇数层II-1、II-3和偶数层II-2，以及三块电极片112，分别为对应奇数层的两块d4以及对应偶数层的一块d3。III区域118设置一块压电陶瓷片111，为III-1，以及一块电极片112，为与II区域117偶数层对应的d3。III区域118内的压电陶瓷片111设置在中间，I区域116和II区域117内的第一层奇数层压电陶瓷片111紧布置在III区域118内的压电陶瓷片111两侧。

当然，本实用新型的压电陶瓷片111与电极片112的布置方式不限于上述结构，参照图14，I区域116设置六块压电陶瓷片111，分别为奇数层I-1、I-3、I-5和偶数层I-2、I-4、I-6，以及六块电极片112，分别为对应奇数层的三块d1和对应偶数层的三块d2。II区域117设置五块压电陶瓷片111，分别为奇数层II-1、II-3、II-5和偶数层II-2、II-4，以及五块电极片112，分别为对应奇数层的三块d4以及对应偶数层的两块d3。III区域118设置一块压电陶瓷片111，为III-1，以及一块电极片112，为与II区域117偶数层对应的d3。

具体地，参见图4和图5，电极片112设有极化导电端1121和工作导电端1122。极化导电端1121与两个第二平面114或两个第三平面115平齐，相邻两片电极片112的极化导电端1121所对应平面不同。工作导电端1122与两个第三平面115或两个第二平面114平齐，相邻两片电极片112的工作导电端1122所对应平面不同或者相同。需要说明的是，极化导电端1121与工作导电端1122所对齐平面不同。再次参见图6和图7，I区域116内奇数层的压电陶瓷片111I-1所对应的电极片112d1上的极化导电端1121和工作导电端1122与I区域116内偶数层的压电陶瓷片111I-2所对应的电极片112d2上的极化导电端1121和工作导电端1122均相对设置。II区域117内奇数层的压电陶瓷片111II-1所对应的电极片112d4上的极化导电端1121和工作导电端1122与II区域117内偶数层的压电陶瓷片111II-2所对应的电极片112d3上的极化导电端1121和工作导电端1122也均相对设置。电极片112d1上的极化导电端1121与电极片112d4上的极化导电端1121同侧设置，电极片112d1上的工作导电端1122与电极片112d4上的工作导电端1122相对设置。电极片112d2上的极化导电端1121与电极片112d3上的极化导电端1121同侧设置，电极片112d2上的工作导电端1122与电极片112d3上的工作导电端1122相对设置。

具体地，极化金属层12的数量为两个，两个极化金属层12分别设于两个第二平面114或两个第三平面115，且两个极化金属层12分别与两个第二平面114或两个第三平面115上的极化导电端1121对应电连接。

具体地，工作金属层13的数量为两个，两个工作金属层13分别设于两个第三平面115或两个第二平面114，且两个工作金属层13分别与两个第三平面115或两个第二平面114上的工作导电端1122对应电连接。

其中，压电陶瓷组件10还设有裁切端14，裁切端14为裁切掉沿极化导电端1121与极化金属层12所在平面将部分或全部极化导电端1121与全部极化金属层12去除。

下面介绍该叠层压电振子的工作原理：

极化原理：参照图8，分别向两个极化金属层12通入第一极化电信号与第二极化电信号。第一极化电信号与第二极化电信号可以是正电与负电，也可以是电势不同的正电。根据极化导电端1121的排列方式，使得每一片压电陶瓷片111均为带有电势差的压电陶瓷片111，极化方向为高电势向低电势，因此相邻的两片压电陶瓷片111的极化方向均不相同。

工作原理：参照图9和图10，分别向两个工作金属层13通入第一工作电信号与第二工作电信号。第一工作电信号与第二工作电信号可以是正电与负电，也可以是电势不同的正电。根据工作导电端1122的排列方式，处于叠层压电陶瓷中间的一层陶瓷片两端会带有相同的电信号，不会产生电势差，其余的压电陶瓷片111均为带有电势差的压电陶瓷片111，并且以叠层压电陶瓷处于中间的一层陶瓷片为对称轴形成对称。在实际工作中，处于叠层压电陶瓷中间的一层陶瓷片由于无电势差自身不会发生形变，由其两端的其余的压电陶瓷片111带动其进行形变，进而带动压电陶瓷组件10中心凸起或凹陷，推动导杆20沿第三轴方向往复运动，最终可以实现对焦功能。

当A＞B时

参照图11， I区域116所有压电陶瓷片111电场方向与极化方向相同，I区域116所有压电陶瓷片111发生沿着极化方向的伸长和垂直于极化方向的收缩；此时，整个I区域116整体发生沿着极化方向的伸长和垂直于极化方向的收缩。图11中虚线表示通电前，实线表示通电后。

当A＞B时

参照图12，II区域117所有压电陶瓷片111电场方向与极化方向相反，II区域117所有压电陶瓷片111发生沿着极化方向的收缩和垂直于极化方向的伸长；此时，整个II区域117整体发生沿着极化方向的收缩和垂直于极化方向的伸长。图11中虚线表示通电前，实线表示通后。

当A＞B时

I区域116与II区域117之间的III区域118压电陶瓷片111由于两端电场相等（都是B），无主动变形。

参照图13，由于I区域116与II区域117通过III区域118连接为一个整体，当A＞B时，压电陶瓷组件10整体方向为中心向II区域117隆起的弯曲变形。

当A＜B时，与以上过程相反。

当A=B时，压电陶瓷组件10整体无变形。

本实用新型提供的一种叠层压电振子的制作方法，包括以下步骤：

a）通过流延工艺制备得到陶瓷厚膜，将得到的陶瓷厚膜裁切成预定尺寸的片状结构；

b）将得到的片状结构的陶瓷厚膜进行等静压处理；

c）将等静压处理完的片状结构的陶瓷厚膜打好定位孔，用定位孔固定片状结构的陶瓷厚膜，再在其上下表面分别刷上对应的电极，得到刷有内电极的陶瓷厚膜；

d）采用叠层机将得到刷有内电极的陶瓷厚膜按照电极交错的方式进行堆叠，堆叠后进行等静压处理，得到压电陶瓷堆；

e）将得到的压电陶瓷堆依次进行排胶和烧结，得到烧结后的压电陶瓷堆；

f）将得到的烧结后的压电陶瓷堆宽度和厚度方向（极化金属层方向）的两侧面依次进行被电极、极化，得到极化后压电堆；

g）将得到的极化后压电堆的两侧面电极通过化学或物理方法去除，再在压电堆长度和厚度方向（工作金属层方向）的两个侧面依次进行被电极，得到压电陶瓷组件，再将压电陶瓷组件与导杆的一端连接，即可得到本实用新型的叠层压电振子。

其中，步骤g）中将得到的极化后压电堆的两侧面电极通过化学或物理方法去除的具体步骤为：

将得到极化后压电堆的两侧面电极通过化学方法去除：将压电堆放入体积分数为40-70%的稀硝酸中浸没30-90秒至表面银层消失，取出后用清水超声冲洗3-5遍至中性；

或将得到极化后压电堆的两侧面电极通过物理方法去除：将压电堆放入双面研磨机定位治具中，通过双面研磨机将压电堆表面银层磨掉，磨盘转速300-400转/分，银层磨完后用清水超声清洗3-5遍，直至陶瓷表面干净无粉末。

参见图15到图17，分别计算三种压电陶瓷器件在不同驱动电压条件下的振幅值，具体参见图18。

第一种：传统非叠层压电陶瓷器件；

第二种：传统叠层压电陶瓷器件，总层数为10层；

第三种：本实用新型的叠层压电陶瓷器件，总层数为10层。

从图15至图18中可以看出，本实用新型的叠层压电振子（即叠层压电陶瓷器件）在不同驱动电压条件下的振幅值均明显高于传统非叠层压电陶瓷器件和传统叠层压电陶瓷器件的振幅值。

采用本实用新型方法制作的叠层压电振子相比于现有的压电陶瓷驱动器有着更大的位移距离，对焦效果更好。

Claims (8)

1.一种叠层压电振子，其特征在于：包括压电陶瓷组件(10)及与所述压电陶瓷组件(10)连接的导杆(20)，所述压电陶瓷组件(10)包括压电陶瓷堆(11)、极化金属层(12)和工作金属层(13)，所述压电陶瓷堆(11)由多个带有电极片(112)的压电陶瓷片(111)堆叠而成，相邻两层所述压电陶瓷片(111)的极化方向相反；所述压电陶瓷堆(11)的两个相对的第一平面(113)均设置电极片(112)，所述压电陶瓷堆(11)的两个相对的第二平面(114)或第三平面(115)均设置极化金属层(12)，所述压电陶瓷堆(11)的两个相对的第三平面(115)或第二平面(114)均设置工作金属层(13)；

所述压电陶瓷堆(11)沿高度方向分成I区域(116)、II区域(117)与III区域(118)，所述I区域(116)内所有奇数层的所述压电陶瓷片(111)所匹配的所述电极片(112)相同，所述I区域(116)内所有偶数层的所述压电陶瓷片(111)所匹配的所述电极片(112)相同，且所述I区域(116)内所述偶数层的电极片(112)与所述奇数层的电极片(112)不同；所述II区域(117)内所有奇数层的所述压电陶瓷片(111)所匹配的所述电极片(112)相同；所述II区域(117)内所有偶数层的所述压电陶瓷片(111)和所述III区域(118)内的所述压电陶瓷片(111)所匹配的所述电极片(112)相同，且所述II区域(117)内所述偶数层的电极片(112)与所述奇数层的电极片(112)不同。

2.根据权利要求1所述的一种叠层压电振子，其特征在于：所述压电陶瓷片(111)的数量为N，且N≥2。

3.根据权利要求1所述的一种叠层压电振子，其特征在于：所述电极片(112)设有极化导电端(1121)和工作导电端(1122)，所述极化导电端(1121)与两个所述第二平面(114)或两个所述第三平面(115)平齐，相邻两片所述电极片(112)的所述极化导电端(1121)所对应平面不同；所述工作导电端(1122)与两个所述第三平面(115)或两个所述第二平面(114)平齐，相邻两片所述电极片(112)的所述工作导电端(1122)所对应平面不同或者相同；所述极化导电端(1121)与所述工作导电端(1122)所对齐平面不同。

4.根据权利要求1或3所述的一种叠层压电振子，其特征在于，所述电极片(112)的数量为M，且M≥2。

5.根据权利要求3所述的一种叠层压电振子，其特征在于，所述极化金属层(12)的数量为两个，两个所述极化金属层(12)分别设于两个所述第二平面(114)或两个所述第三平面(115)，且两个所述极化金属层(12)分别与两个所述第二平面(114)或两个所述第三平面(115)上的所述极化导电端(1121)对应电连接。

6.根据权利要求3所述的一种叠层压电振子，其特征在于：所述工作金属层(13) 的数量为两个，两个所述工作金属层(13)分别设于两个所述第三平面(115)或两个所述第二平面(114)，且两个所述工作金属层(13)分别与两个所述第三平面(115)或两个所述第二平面(114)上的所述工作导电端(1122)对应电连接。

7.根据权利要求3所述的一种叠层压电振子，其特征在于：所述压电陶瓷组件(10)设有裁切端(14)，所述裁切端(14)为裁切掉沿所述极化导电端(1121)与所述极化金属层(12)所在平面将部分或全部所述极化导电端(1121)与全部所述极化金属层(12)去除。

8.根据权利要求1所述的一种叠层压电振子，其特征在于：所述极化金属层(12)与所述工作金属层(13)所处平面不同。