壓電陶瓷堆疊結構及壓電式傳感器的制作方法

本發明涉及檢測設備技術領域，特別是涉及一種壓電陶瓷堆疊結構及壓電式傳感器。

背景技術：

壓電式傳感器應用越來越廣泛，用于測量物體的振動情況。目前作為壓電元件使用的壓電陶瓷堆疊結構常為在壓電陶瓷片之間設置連接層。該結構雖然實現了壓電元件裝配，但是由于連接層和壓電陶瓷片之間配合后會增加壓電陶瓷堆疊結構的高度。在振動環境中應用時，上述壓電陶瓷堆疊結構會產生變形，進而吸收一部分的能量，從而使傳感器整體剛度降低，影響頻響特性。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種壓電陶瓷堆疊結構及壓電式傳感器，能夠提高多層壓電陶瓷堆疊結構的剛性，從而改善頻響特性，也能夠減少高溫環境下的應力值波動，結構簡單，適于批量生產。

本發明實施例一方面提出了一種壓電陶瓷堆疊結構，其包括：柱狀壓電陶瓷體，包括在柱狀壓電陶瓷體的軸向上相對的第一端部和第二端部，柱狀壓電陶瓷體包括兩個以上的壓電陶瓷堆疊層，兩個以上的壓電陶瓷堆疊層中相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層的相鄰的兩個電極極性相同；每個壓電陶瓷堆疊層朝向第一端部的表面上設置一個電極引線端子；兩個以上的電極引線端子中相鄰兩個電極引線端子的極性相反且在軸向方向上錯開設置，柱狀壓電陶瓷體中的每個壓電陶瓷堆疊層設置的電極引線端子暴露于外部環境；連接部件，兩個以上的壓電陶瓷堆疊層通過連接部件相連接。

根據本發明實施例的一個方面，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層直接接觸設置。

根據本發明實施例的一個方面，每個壓電陶瓷堆疊層設置有電極引線端子容置部，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層的電極引線端子容置部在軸向上彼此錯開設置。

根據本發明實施例的一個方面，電極引線端子容置部為于每個壓電陶瓷堆疊層的外周表面上設置的沿軸向延伸的通槽，從第一端部至第二端部，每個壓電陶瓷堆疊層上設置的所有通槽中的一個通槽與相鄰的壓電陶瓷堆疊層的電極引線端子彼此對準設置。

根據本發明實施例的一個方面，每個壓電陶瓷堆疊層上設置的通槽的數量比柱狀壓電陶瓷體包括的壓電陶瓷堆疊層的數量少一個。

根據本發明實施例的一個方面，通槽的橫截面的底部輪廓線為圓弧形，槽口處的輪廓線設置為倒圓角；或者，通槽的橫截面的輪廓線為多邊形。

根據本發明實施例的一個方面，電極引線端子容置部為于每個壓電陶瓷堆疊層上設置的沿柱狀壓電陶瓷體的徑向延伸形成的凸出部，電極引線端子設置于凸出部朝向第一端部的表面上。

根據本發明實施例的一個方面，每個壓電陶瓷堆疊層包括一個或者兩個以上的壓電陶瓷片，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層各自包括的壓電陶瓷片的數量相同或不同，每個壓電陶瓷堆疊層包括兩個以上的壓電陶瓷片時，相鄰兩個壓電陶瓷片的相鄰的兩個電極極性相反。

根據本發明實施例的一個方面，連接部件包括第一壓緊部和第二壓緊部，第一壓緊部和第二壓緊部分別用于對第一端部的端面和第二端部的端面施加壓緊力。

根據本發明實施例的一個方面，壓電陶瓷堆疊結構還包括：設置在位于第一端部的壓電陶瓷堆疊層與第一壓緊部之間的第一絕緣部件。

根據本發明實施例的一個方面，壓電陶瓷堆疊結構還包括：設置在位于第二端部的壓電陶瓷堆疊層與第二壓緊部之間的正電極片和負電極片，每個電極引線端子分別與正電極片或負電極片電氣連接，正電極片和負電極片之間設置有第二絕緣部件，正電極片或負電極片與第二壓緊部之間設置有第三絕緣部件。

根據本發明實施例的一個方面，連接部件包括螺栓和螺母，每個壓電陶瓷堆疊層包括中心通孔，每個壓電陶瓷堆疊層套接到螺栓的螺柱上，中心通孔的孔壁與螺柱之間絕緣設置或間隙配合，第一壓緊部為螺栓的螺帽，第二壓緊部為螺母。

根據本發明實施例提供的壓電陶瓷堆疊結構，其包括兩個以上的壓電陶瓷堆疊結構。兩個以上的壓電陶瓷堆疊層中每個壓電陶瓷堆疊上設置有一個電極引線端子，且外部設備可以直接與該電極引線端子電氣連接，因此相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層之間不需要額外單獨設置電極片，因此壓電陶瓷堆疊結構結構簡化緊湊，整體提高了多層壓電陶瓷堆疊結構的剛性，提升了頻響特性。

根據本發明實施例的另一個方面，提供一種壓電式傳感器，其包括：如上述的壓電陶瓷堆疊結構。

附圖說明

下面將參考附圖來描述本發明示例性實施例的特征、優點和技術效果。

圖1是本發明實施例的壓電陶瓷堆疊結構的整體結構示意圖。

圖2是本發明實施例的壓電陶瓷堆疊結構的正視結構示意圖。

圖3是本發明一實施例的柱狀壓電陶瓷體的結構示意圖。

圖4是本發明另一實施例的柱狀壓電陶瓷體的俯視結構示意圖。

圖5是本發明一實施例的壓電陶瓷片的結構示意圖。

圖6是本發明另一實施例的壓電陶瓷片的結構示意圖。

在附圖中，附圖并未按照實際的比例繪制。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例的詳細描述和附圖用于示例性地說明本發明的原理，但不能用來限制本發明的范圍，即本發明不限于所描述的實施例。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上；術語“上”、“下”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。下述描述中出現的方位詞均為圖中示出的方向，并不是對本發明的具體結構進行限定。在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，對于本領域的普通技術人員而言，可視具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

為了更好地理解本發明，下面結合圖1至6根據本發明實施例的壓電陶瓷堆疊結構進行詳細描述。

如圖1所示，本發明實施例涉及一種壓電陶瓷堆疊結構，其包括柱狀壓電陶瓷體10以及與柱狀壓電陶瓷體10相連接的連接部件20。柱狀壓電陶瓷體10包括在自身的軸向上相對的第一端部101和第二端部102。這里的第一端部101和第二端部102僅是為了便于描述本發明實施例的技術方案，并不限定本發明實施例的技術方案。柱狀壓電陶瓷體10包括兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103。本實施例的每個壓電陶瓷堆疊層103為柱狀結構。兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103中相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103的相鄰的兩個電極極性相同。如圖2所示，每個壓電陶瓷堆疊層103包括正電極和負電極。沿第一端部101至第二端部102，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103中，一個壓電陶瓷堆疊層103的正電極(或負電極)與另一個壓電陶瓷堆疊層103的正電極(或負電極)相互電氣連接，以使相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103依次以并聯方式堆疊。

如圖3所示，本發明實施例的每個壓電陶瓷堆疊層103朝向第一端部101的表面上設置有一個電極引線端子103a。壓電陶瓷堆疊層103通過電極引線端子103a與外部設備電氣連接。在一個實施例中，電極引線端子103a是壓電陶瓷堆疊層103的表面上的一部分，不是單獨增加的結構件，減少了在壓電陶瓷堆疊層103上單獨加工制造電極引線端子103a的工序。對于每個壓電陶瓷堆疊層103而言，本實施例的電極引線端子103a可以是壓電陶瓷堆疊層103的正電極，也可以是壓電陶瓷堆疊層103的負電極。柱狀壓電陶瓷體10包括的壓電陶瓷堆疊層103的數量和電極引線端子103a的數量相等。兩個以上的電極引線端子103a中相鄰的兩個電極引線端子103a的極性相反。沿第一端部101至第二端部102，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103中，一個壓電陶瓷堆疊層103的電極引線端子103a是正電極(或負電極)，另一個壓電陶瓷堆疊層103的電極引線端子103a是負電極(或正電極)。

兩個以上的電極引線端子103a中相鄰的兩個電極引線端子103a在柱狀壓電陶瓷體10的軸向方向上彼此錯開設置，并且每個電極引線端子103a暴露于外部環境。一個電極引線端子103a僅設置于對應的一個壓電陶瓷堆疊層103的表面上，不與相鄰的壓電陶瓷堆疊層103直接接觸。兩個電極引線端子103a在柱狀壓電陶瓷體10的軸向方向上錯開設置的方式，使得相鄰兩個電極引線端子103a彼此形成讓位，不會發生位置干涉，方便后續在電極引線端子103a上固定連接導線。

當將本實施例的兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103按照預定的堆疊方式堆疊到形成柱狀壓電陶瓷體10后，使用本實施例的連接部件20將完成堆疊工作后的兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103緊固連接，避免完成堆疊工作后的兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103發生分離。

本發明實施例的壓電陶瓷堆疊結構，兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103中每個壓電陶瓷堆疊上設置有一個電極引線端子103a，且外部設備可以直接與該電極引線端子103a電氣連接，因此相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103之間不需要額外單獨設置電極片，因此壓電陶瓷堆疊結構結構簡化緊湊，整體提高了多層壓電陶瓷堆疊結構的剛性，提升了頻響特性。

本發明實施例的相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103直接接觸設置。相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103中，一個壓電陶瓷堆疊層103朝向第二端部102的端面與另一個壓電陶瓷堆疊層103朝向第一端部101的端面之間直接接觸，提高相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103的連接剛性。兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103之間的連接是連接部件20實現鎖緊。這樣，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103之間不需要設置連接層或粘接劑等，因此能夠進一步提高了多層壓電陶瓷堆疊結構的剛性，也大大減小了在高溫環境下使用時應力波動的問題。

本發明實施例的每個壓電陶瓷堆疊層103設置有電極引線端子容置部。相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103的電極引線端子容置部在柱狀壓電陶瓷體10的軸向上彼此錯開設置。

如圖3所示，本發明實施例的電極引線端子容置部可以為每個壓電陶瓷堆疊層103的外周表面上設置的沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向延伸的通槽104。通槽104貫穿第一端部101和第二端部102。沿第一端部101至第二端部102，每個壓電陶瓷堆疊層103上設置的所有通槽104中的一個通槽104與相鄰的壓電陶瓷堆疊層103的電極引線端子103a彼此對準設置。通槽104可以形成讓位，使得與其對準設置的電極引線端子103a暴露于外部環境，方便后續在電極引線端子103a上固定連接導線。本實施例的通槽104為直槽。通槽104的數量可以是一個或者兩個以上。進一步地，每個壓電陶瓷堆疊層103的外周表面上設置的通槽104的數量比柱狀壓電陶瓷體10包括的壓電陶瓷堆疊層103的數量少一個。這樣，兩個以上的電極引線端子103a可以沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向呈螺旋狀錯開設置，結構更加合理，使得柱狀壓電陶瓷體10整體結構更加緊湊。

在一個實施例中，本實施例的通槽104的橫截面的輪廓線為多邊形。在另一個實施例中，本實施例的通槽104的橫截面的底部輪廓線為圓弧形，通槽104的槽口處的輪廓線設置為倒圓角。這樣，壓電陶瓷堆疊層103與通槽104相對應的部分過渡光滑平緩，避免出現應力集中的尖狀區域，從而使得壓電陶瓷堆疊層103的整體結構剛性好，不易產生裂紋而發生破碎。

如圖4所示，本發明實施例的電極引線端子容置部還可以為每個壓電陶瓷堆疊層103上設置的凸出部105。本實施例中，凸出部105沿柱狀壓電陶瓷體10的徑向延伸。電極引線端子103a設置于該凸出部105朝向第一端部101的表面上。相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103上各自設置的凸出部105沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向錯開設置，彼此形成讓位，避免位置發生干涉。本實施例的每個壓電陶瓷堆疊層103上設置有一個凸出部105。柱狀壓電陶瓷體10中包括的所有凸出部105可以沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向呈螺旋狀錯開設置，從而方便在凸出部105朝向第一端部101的表面上固定連接導線。

本發明實施例的每個壓電陶瓷堆疊層103包括一個或者兩個以上的壓電陶瓷片30(如圖5或圖6所示)。壓電陶瓷片30的上表面和下表面均設置有導電層，例如在上表面和下表面上鍍金形成導電層。壓電陶瓷片30包括正電極和負電極。壓電陶瓷片30的厚度可以根據實際需要加工制造。每個壓電陶瓷堆疊層103包括兩個以上的壓電陶瓷片30時，相鄰兩個壓電陶瓷片30的相鄰的兩個電極極性相反，也即相鄰兩個壓電陶瓷片30中的一個壓電陶瓷片30與另一個壓電陶瓷片30相對的兩個電極的極性相反，從而兩個以上的壓電陶瓷片30以串聯方式堆疊形成一個壓電陶瓷堆疊層103。

在一個實施例中，如圖5所示，單個壓電陶瓷片30的外周表面上設置有凹部301。每個壓電陶瓷堆疊層103中包括的所有壓電陶瓷片30上各自設置的凹部301形成通槽104。本實施例壓電陶瓷片30上的凹部301可采用激光切割工藝加工制造成型，也可采用模具模壓工藝加工制造成型。

在一個實施例中，如圖6所示，單個的壓電陶瓷片30的外周表面上設置有凸起303，每個壓電陶瓷堆疊層103中包括的所有壓電陶瓷片30上各自設置的凸起303形成凸出部105。本實施例設置有凸起303的壓電陶瓷片30整體可以采用模具模壓工藝加工制造成型。本實施例中，當一個壓電陶瓷堆疊層103包括兩個以上的壓電陶瓷片30，且該壓電陶瓷片30上設置有凸起303時，靠近第一端部101的壓電陶瓷片30上設置的凸起303的表面上設置有電極引線端子103a。

本發明實施例的相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103各自包括的壓電陶瓷片30的數量相同或不同。在一個實施例中，柱狀壓電陶瓷體10中的每個壓電陶瓷堆疊層103包括一個壓電陶瓷片30。相鄰兩個壓電陶瓷片30的電極極性相同，從而各個壓電陶瓷片30以并聯的方式堆疊形成柱狀壓電陶瓷體10。所有壓電陶瓷片30上設置的凸起303可以沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向呈螺旋狀錯開設置，從而方便在凸起303朝向第一端部101的表面上固定連接導線。在一個實施例中，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103所包括的壓電陶瓷片30的數量不同，例如，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103中的一個壓電陶瓷堆疊層103包括三個壓電陶瓷片30，另一個壓電陶瓷堆疊層103包括一個壓電陶瓷片30。這樣，可以根據實際情況需要，對每個壓電陶瓷堆疊層103所包括的壓電陶瓷片30的數量進行靈活配置。

由于本發明實施例的各個壓電陶瓷堆疊層103之間為直接接觸連接，因此本發明實施例的壓電陶瓷堆疊結構還包括用于固定各個壓電陶瓷堆疊層103的連接部件20。本發明實施例的連接部件20包括第一壓緊部和第二壓緊部。第一壓緊部和第二壓緊部分別用于對第一端部101的端面和第二端部102的端面施加壓緊力，從而將各個壓電陶瓷堆疊層103鎖緊，避免各個壓電陶瓷堆疊層103松散分離。本實施例中，該壓緊力的方向沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向。

本發明實施例的連接部件20的第一壓緊部與設置于柱狀壓電陶瓷體10的第一端部101的壓電陶瓷堆疊層103之間設置有第一絕緣部件40，以使連接部件20的第一壓緊部和壓電陶瓷堆疊層103的電極之間保持絕緣狀態。在一個實施例中，第一絕緣部件40為片狀結構。片狀結構的第一絕緣部件40的外周表面可以設置與通槽104的橫截面形狀相同的凹陷部。本實施例的第一絕緣部件40的材料為氧化鋁陶瓷或云母等。

如圖1、圖2所示，本發明實施例的連接部件20的第二壓緊部與設置于柱狀壓電陶瓷體10的第二端部102的壓電陶瓷堆疊層103之間設置有正電極片50和負電極片70。本實施例的正電極片50和負電極片70沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向堆疊。每個電極引線端子103a分別與正電極片50或負電極片70電氣連接。設置于壓電陶瓷堆疊層103的正電極的電極引線端子103a通過導線與正電極片50電氣連接。設置于壓電陶瓷堆疊層103的負電極的電極引線端子103a通過導線與負電極片70電氣連接。這樣，方便通過正電極片50和負電極片70將所有正電極的電極引線端子103a和負電極的電極引線端子103a統一匯集到一起，避免從各個電極引線端子103a上引出的導線出現搭接或纏繞的情況。本實施例的導線可以是金線。

本實施例的正電極片50和負電極片70之間設置有第二絕緣部件60，以使正電極片50和負電極片70保持絕緣狀態。正電極片50或者負電極片70與第二壓緊部之間設置有第三絕緣部件80，以使正電極片50或負電極片70與第二壓緊部之間保持絕緣狀態。本實施例的第二絕緣部件60和第三絕緣部件80的材料為氧化鋁陶瓷或云母等。本實施例的正電極片50、第二絕緣部件60、負電極片70和第三絕緣部件80各自沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向堆疊。

正電極片50和負電極片70兩者的位置由設置于柱狀壓電陶瓷體10的第二端部102的壓電陶瓷堆疊層103的電極極性決定。柱狀壓電陶瓷體10的第二端部102的壓電陶瓷堆疊層103的電極為正電極時，正電極片50與第二端部102的壓電陶瓷堆疊層103直接電氣連接。柱狀壓電陶瓷體10的第二端部102的壓電陶瓷堆疊層103的電極為負電極時，負電極片70與第二端部102的壓電陶瓷堆疊層103直接電氣連接。

本發明實施例的連接部件20包括螺栓201和螺母202，結構簡單，連接狀態穩定。如圖3所示，每個壓電陶瓷堆疊層103包括中心通孔106。在一個實施例中，采用激光切割工藝在每個壓電陶瓷片30上切割形成一個中心孔302。各個壓電陶瓷片30同軸堆疊，各個壓電陶瓷片30的中心孔302形成中心通孔106。每個壓電陶瓷堆疊層103套接到螺栓201的螺柱上。每個壓電陶瓷堆疊層103的中心通孔106的孔壁與螺柱的外周表面之間絕緣設置或間隙配合。在一個實施例中，螺柱與孔壁之間可以設置剛性絕緣件以實現兩者絕緣配合。在一個實施例中，螺柱的直徑小于中心通孔106的直徑，從而壓電陶瓷堆疊層103的中心通孔106的孔壁與螺柱的外周表面之間形成間隙。本實施例中，連接部件20的第一壓緊部為螺栓201的螺帽，第二壓緊部為螺母202。

在一個實施例中，第一絕緣部件40、正電極片50、第二絕緣部件60、負電極片70和第三絕緣部件80均為環狀結構。組裝本發明實施例的壓電陶瓷堆疊結構時，依次在螺栓201的螺柱上套接第三絕緣部件80、正電極片50(或負電極片70)、第二絕緣部件60、負電極片70(或正電極片50)、各個壓電陶瓷堆疊層103以及第一絕緣部件40，然后在螺柱上旋擰螺母202，直至螺母202將各個結構件沿柱狀壓電陶瓷體10的軸向鎖緊，完成壓電陶瓷堆疊結構的組裝工作。

本發明實施例的壓電陶瓷堆疊結構整體結構簡單，適用于批量生產。壓電陶瓷堆疊結構中的兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103中每個壓電陶瓷堆疊上設置有一個電極引線端子103a。由于電極引線端子103a暴露于外部環境，因此外部設備可以直接與該電極引線端子103a電氣連接，從而解決了相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103直接接觸設置時無法引線的問題。這樣，相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103不需要額外單獨設置電極片，直接堆疊形成壓電陶瓷堆疊結構的方式，從整體上提高了壓電陶瓷堆疊結構的剛性，提升了頻響特性。另外，兩個以上的壓電陶瓷堆疊層103之間的連接是連接部件20實現鎖緊。相鄰兩個壓電陶瓷堆疊層103之間不需要設置連接層或粘接劑等，因此能夠進一步提高了多層壓電陶瓷堆疊結構的剛性。柱狀壓電陶瓷體10采用膨脹系數相同的壓電陶瓷堆疊層103堆疊形成，從而也降低了在高溫環境下使用時應力波動的影響，提升了高溫環境下的頻響特性。

本發明實施例還包括一種壓電式傳感器，其包括上述實施例的壓電陶瓷堆疊結構。常溫狀態下，本實施例的壓電式傳感器的頻響特性好。在高溫環境下，本實施例的壓電式傳感器受到壓電陶瓷堆疊結構受熱膨脹時的應力值波動影響較小，高溫頻響特性好。這樣，本實施例的壓電式傳感器檢測精度高。

雖然已經參考優選實施例對本發明進行了描述，但在不脫離本發明的范圍的情況下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結構沖突，各個實施例中所提到的各項技術特征均可以任意方式組合起來。本發明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權利要求的范圍內的所有技術方案。