压电陶瓷堆叠结构及压电式传感器的制作方法

本发明涉及检测设备技术领域，特别是涉及一种压电陶瓷堆叠结构及压电式传感器。

背景技术：

压电式传感器应用越来越广泛，用于测量物体的振动情况。目前作为压电元件使用的压电陶瓷堆叠结构常为在压电陶瓷片之间设置连接层。该结构虽然实现了压电元件装配，但是由于连接层和压电陶瓷片之间配合后会增加压电陶瓷堆叠结构的高度。在振动环境中应用时，上述压电陶瓷堆叠结构会产生变形，进而吸收一部分的能量，从而使传感器整体刚度降低，影响频响特性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种压电陶瓷堆叠结构及压电式传感器，能够提高多层压电陶瓷堆叠结构的刚性，从而改善频响特性，也能够减少高温环境下的应力值波动，结构简单，适于批量生产。

本发明实施例一方面提出了一种压电陶瓷堆叠结构，其包括：柱状压电陶瓷体，包括在柱状压电陶瓷体的轴向上相对的第一端部和第二端部，柱状压电陶瓷体包括两个以上的压电陶瓷堆叠层，两个以上的压电陶瓷堆叠层中相邻两个压电陶瓷堆叠层的相邻的两个电极极性相同；每个压电陶瓷堆叠层朝向第一端部的表面上设置一个电极引线端子；两个以上的电极引线端子中相邻两个电极引线端子的极性相反且在轴向方向上错开设置，柱状压电陶瓷体中的每个压电陶瓷堆叠层设置的电极引线端子暴露于外部环境；连接部件，两个以上的压电陶瓷堆叠层通过连接部件相连接。

根据本发明实施例的一个方面，相邻两个压电陶瓷堆叠层直接接触设置。

根据本发明实施例的一个方面，每个压电陶瓷堆叠层设置有电极引线端子容置部，相邻两个压电陶瓷堆叠层的电极引线端子容置部在轴向上彼此错开设置。

根据本发明实施例的一个方面，电极引线端子容置部为于每个压电陶瓷堆叠层的外周表面上设置的沿轴向延伸的通槽，从第一端部至第二端部，每个压电陶瓷堆叠层上设置的所有通槽中的一个通槽与相邻的压电陶瓷堆叠层的电极引线端子彼此对准设置。

根据本发明实施例的一个方面，每个压电陶瓷堆叠层上设置的通槽的数量比柱状压电陶瓷体包括的压电陶瓷堆叠层的数量少一个。

根据本发明实施例的一个方面，通槽的横截面的底部轮廓线为圆弧形，槽口处的轮廓线设置为倒圆角；或者，通槽的横截面的轮廓线为多边形。

根据本发明实施例的一个方面，电极引线端子容置部为于每个压电陶瓷堆叠层上设置的沿柱状压电陶瓷体的径向延伸形成的凸出部，电极引线端子设置于凸出部朝向第一端部的表面上。

根据本发明实施例的一个方面，每个压电陶瓷堆叠层包括一个或者两个以上的压电陶瓷片，相邻两个压电陶瓷堆叠层各自包括的压电陶瓷片的数量相同或不同，每个压电陶瓷堆叠层包括两个以上的压电陶瓷片时，相邻两个压电陶瓷片的相邻的两个电极极性相反。

根据本发明实施例的一个方面，连接部件包括第一压紧部和第二压紧部，第一压紧部和第二压紧部分别用于对第一端部的端面和第二端部的端面施加压紧力。

根据本发明实施例的一个方面，压电陶瓷堆叠结构还包括：设置在位于第一端部的压电陶瓷堆叠层与第一压紧部之间的第一绝缘部件。

根据本发明实施例的一个方面，压电陶瓷堆叠结构还包括：设置在位于第二端部的压电陶瓷堆叠层与第二压紧部之间的正电极片和负电极片，每个电极引线端子分别与正电极片或负电极片电气连接，正电极片和负电极片之间设置有第二绝缘部件，正电极片或负电极片与第二压紧部之间设置有第三绝缘部件。

根据本发明实施例的一个方面，连接部件包括螺栓和螺母，每个压电陶瓷堆叠层包括中心通孔，每个压电陶瓷堆叠层套接到螺栓的螺柱上，中心通孔的孔壁与螺柱之间绝缘设置或间隙配合，第一压紧部为螺栓的螺帽，第二压紧部为螺母。

根据本发明实施例提供的压电陶瓷堆叠结构，其包括两个以上的压电陶瓷堆叠结构。两个以上的压电陶瓷堆叠层中每个压电陶瓷堆叠上设置有一个电极引线端子，且外部设备可以直接与该电极引线端子电气连接，因此相邻两个压电陶瓷堆叠层之间不需要额外单独设置电极片，因此压电陶瓷堆叠结构结构简化紧凑，整体提高了多层压电陶瓷堆叠结构的刚性，提升了频响特性。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种压电式传感器，其包括：如上述的压电陶瓷堆叠结构。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例的压电陶瓷堆叠结构的整体结构示意图。

图2是本发明实施例的压电陶瓷堆叠结构的正视结构示意图。

图3是本发明一实施例的柱状压电陶瓷体的结构示意图。

图4是本发明另一实施例的柱状压电陶瓷体的俯视结构示意图。

图5是本发明一实施例的压电陶瓷片的结构示意图。

图6是本发明另一实施例的压电陶瓷片的结构示意图。

在附图中，附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合图1至6根据本发明实施例的压电陶瓷堆叠结构进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例涉及一种压电陶瓷堆叠结构，其包括柱状压电陶瓷体10以及与柱状压电陶瓷体10相连接的连接部件20。柱状压电陶瓷体10包括在自身的轴向上相对的第一端部101和第二端部102。这里的第一端部101和第二端部102仅是为了便于描述本发明实施例的技术方案，并不限定本发明实施例的技术方案。柱状压电陶瓷体10包括两个以上的压电陶瓷堆叠层103。本实施例的每个压电陶瓷堆叠层103为柱状结构。两个以上的压电陶瓷堆叠层103中相邻两个压电陶瓷堆叠层103的相邻的两个电极极性相同。如图2所示，每个压电陶瓷堆叠层103包括正电极和负电极。沿第一端部101至第二端部102，相邻两个压电陶瓷堆叠层103中，一个压电陶瓷堆叠层103的正电极(或负电极)与另一个压电陶瓷堆叠层103的正电极(或负电极)相互电气连接，以使相邻两个压电陶瓷堆叠层103依次以并联方式堆叠。

如图3所示，本发明实施例的每个压电陶瓷堆叠层103朝向第一端部101的表面上设置有一个电极引线端子103a。压电陶瓷堆叠层103通过电极引线端子103a与外部设备电气连接。在一个实施例中，电极引线端子103a是压电陶瓷堆叠层103的表面上的一部分，不是单独增加的结构件，减少了在压电陶瓷堆叠层103上单独加工制造电极引线端子103a的工序。对于每个压电陶瓷堆叠层103而言，本实施例的电极引线端子103a可以是压电陶瓷堆叠层103的正电极，也可以是压电陶瓷堆叠层103的负电极。柱状压电陶瓷体10包括的压电陶瓷堆叠层103的数量和电极引线端子103a的数量相等。两个以上的电极引线端子103a中相邻的两个电极引线端子103a的极性相反。沿第一端部101至第二端部102，相邻两个压电陶瓷堆叠层103中，一个压电陶瓷堆叠层103的电极引线端子103a是正电极(或负电极)，另一个压电陶瓷堆叠层103的电极引线端子103a是负电极(或正电极)。

两个以上的电极引线端子103a中相邻的两个电极引线端子103a在柱状压电陶瓷体10的轴向方向上彼此错开设置，并且每个电极引线端子103a暴露于外部环境。一个电极引线端子103a仅设置于对应的一个压电陶瓷堆叠层103的表面上，不与相邻的压电陶瓷堆叠层103直接接触。两个电极引线端子103a在柱状压电陶瓷体10的轴向方向上错开设置的方式，使得相邻两个电极引线端子103a彼此形成让位，不会发生位置干涉，方便后续在电极引线端子103a上固定连接导线。

当将本实施例的两个以上的压电陶瓷堆叠层103按照预定的堆叠方式堆叠到形成柱状压电陶瓷体10后，使用本实施例的连接部件20将完成堆叠工作后的两个以上的压电陶瓷堆叠层103紧固连接，避免完成堆叠工作后的两个以上的压电陶瓷堆叠层103发生分离。

本发明实施例的压电陶瓷堆叠结构，两个以上的压电陶瓷堆叠层103中每个压电陶瓷堆叠上设置有一个电极引线端子103a，且外部设备可以直接与该电极引线端子103a电气连接，因此相邻两个压电陶瓷堆叠层103之间不需要额外单独设置电极片，因此压电陶瓷堆叠结构结构简化紧凑，整体提高了多层压电陶瓷堆叠结构的刚性，提升了频响特性。

本发明实施例的相邻两个压电陶瓷堆叠层103直接接触设置。相邻两个压电陶瓷堆叠层103中，一个压电陶瓷堆叠层103朝向第二端部102的端面与另一个压电陶瓷堆叠层103朝向第一端部101的端面之间直接接触，提高相邻两个压电陶瓷堆叠层103的连接刚性。两个以上的压电陶瓷堆叠层103之间的连接是连接部件20实现锁紧。这样，相邻两个压电陶瓷堆叠层103之间不需要设置连接层或粘接剂等，因此能够进一步提高了多层压电陶瓷堆叠结构的刚性，也大大减小了在高温环境下使用时应力波动的问题。

本发明实施例的每个压电陶瓷堆叠层103设置有电极引线端子容置部。相邻两个压电陶瓷堆叠层103的电极引线端子容置部在柱状压电陶瓷体10的轴向上彼此错开设置。

如图3所示，本发明实施例的电极引线端子容置部可以为每个压电陶瓷堆叠层103的外周表面上设置的沿柱状压电陶瓷体10的轴向延伸的通槽104。通槽104贯穿第一端部101和第二端部102。沿第一端部101至第二端部102，每个压电陶瓷堆叠层103上设置的所有通槽104中的一个通槽104与相邻的压电陶瓷堆叠层103的电极引线端子103a彼此对准设置。通槽104可以形成让位，使得与其对准设置的电极引线端子103a暴露于外部环境，方便后续在电极引线端子103a上固定连接导线。本实施例的通槽104为直槽。通槽104的数量可以是一个或者两个以上。进一步地，每个压电陶瓷堆叠层103的外周表面上设置的通槽104的数量比柱状压电陶瓷体10包括的压电陶瓷堆叠层103的数量少一个。这样，两个以上的电极引线端子103a可以沿柱状压电陶瓷体10的轴向呈螺旋状错开设置，结构更加合理，使得柱状压电陶瓷体10整体结构更加紧凑。

在一个实施例中，本实施例的通槽104的横截面的轮廓线为多边形。在另一个实施例中，本实施例的通槽104的横截面的底部轮廓线为圆弧形，通槽104的槽口处的轮廓线设置为倒圆角。这样，压电陶瓷堆叠层103与通槽104相对应的部分过渡光滑平缓，避免出现应力集中的尖状区域，从而使得压电陶瓷堆叠层103的整体结构刚性好，不易产生裂纹而发生破碎。

如图4所示，本发明实施例的电极引线端子容置部还可以为每个压电陶瓷堆叠层103上设置的凸出部105。本实施例中，凸出部105沿柱状压电陶瓷体10的径向延伸。电极引线端子103a设置于该凸出部105朝向第一端部101的表面上。相邻两个压电陶瓷堆叠层103上各自设置的凸出部105沿柱状压电陶瓷体10的轴向错开设置，彼此形成让位，避免位置发生干涉。本实施例的每个压电陶瓷堆叠层103上设置有一个凸出部105。柱状压电陶瓷体10中包括的所有凸出部105可以沿柱状压电陶瓷体10的轴向呈螺旋状错开设置，从而方便在凸出部105朝向第一端部101的表面上固定连接导线。

本发明实施例的每个压电陶瓷堆叠层103包括一个或者两个以上的压电陶瓷片30(如图5或图6所示)。压电陶瓷片30的上表面和下表面均设置有导电层，例如在上表面和下表面上镀金形成导电层。压电陶瓷片30包括正电极和负电极。压电陶瓷片30的厚度可以根据实际需要加工制造。每个压电陶瓷堆叠层103包括两个以上的压电陶瓷片30时，相邻两个压电陶瓷片30的相邻的两个电极极性相反，也即相邻两个压电陶瓷片30中的一个压电陶瓷片30与另一个压电陶瓷片30相对的两个电极的极性相反，从而两个以上的压电陶瓷片30以串联方式堆叠形成一个压电陶瓷堆叠层103。

在一个实施例中，如图5所示，单个压电陶瓷片30的外周表面上设置有凹部301。每个压电陶瓷堆叠层103中包括的所有压电陶瓷片30上各自设置的凹部301形成通槽104。本实施例压电陶瓷片30上的凹部301可采用激光切割工艺加工制造成型，也可采用模具模压工艺加工制造成型。

在一个实施例中，如图6所示，单个的压电陶瓷片30的外周表面上设置有凸起303，每个压电陶瓷堆叠层103中包括的所有压电陶瓷片30上各自设置的凸起303形成凸出部105。本实施例设置有凸起303的压电陶瓷片30整体可以采用模具模压工艺加工制造成型。本实施例中，当一个压电陶瓷堆叠层103包括两个以上的压电陶瓷片30，且该压电陶瓷片30上设置有凸起303时，靠近第一端部101的压电陶瓷片30上设置的凸起303的表面上设置有电极引线端子103a。

本发明实施例的相邻两个压电陶瓷堆叠层103各自包括的压电陶瓷片30的数量相同或不同。在一个实施例中，柱状压电陶瓷体10中的每个压电陶瓷堆叠层103包括一个压电陶瓷片30。相邻两个压电陶瓷片30的电极极性相同，从而各个压电陶瓷片30以并联的方式堆叠形成柱状压电陶瓷体10。所有压电陶瓷片30上设置的凸起303可以沿柱状压电陶瓷体10的轴向呈螺旋状错开设置，从而方便在凸起303朝向第一端部101的表面上固定连接导线。在一个实施例中，相邻两个压电陶瓷堆叠层103所包括的压电陶瓷片30的数量不同，例如，相邻两个压电陶瓷堆叠层103中的一个压电陶瓷堆叠层103包括三个压电陶瓷片30，另一个压电陶瓷堆叠层103包括一个压电陶瓷片30。这样，可以根据实际情况需要，对每个压电陶瓷堆叠层103所包括的压电陶瓷片30的数量进行灵活配置。

由于本发明实施例的各个压电陶瓷堆叠层103之间为直接接触连接，因此本发明实施例的压电陶瓷堆叠结构还包括用于固定各个压电陶瓷堆叠层103的连接部件20。本发明实施例的连接部件20包括第一压紧部和第二压紧部。第一压紧部和第二压紧部分别用于对第一端部101的端面和第二端部102的端面施加压紧力，从而将各个压电陶瓷堆叠层103锁紧，避免各个压电陶瓷堆叠层103松散分离。本实施例中，该压紧力的方向沿柱状压电陶瓷体10的轴向。

本发明实施例的连接部件20的第一压紧部与设置于柱状压电陶瓷体10的第一端部101的压电陶瓷堆叠层103之间设置有第一绝缘部件40，以使连接部件20的第一压紧部和压电陶瓷堆叠层103的电极之间保持绝缘状态。在一个实施例中，第一绝缘部件40为片状结构。片状结构的第一绝缘部件40的外周表面可以设置与通槽104的横截面形状相同的凹陷部。本实施例的第一绝缘部件40的材料为氧化铝陶瓷或云母等。

如图1、图2所示，本发明实施例的连接部件20的第二压紧部与设置于柱状压电陶瓷体10的第二端部102的压电陶瓷堆叠层103之间设置有正电极片50和负电极片70。本实施例的正电极片50和负电极片70沿柱状压电陶瓷体10的轴向堆叠。每个电极引线端子103a分别与正电极片50或负电极片70电气连接。设置于压电陶瓷堆叠层103的正电极的电极引线端子103a通过导线与正电极片50电气连接。设置于压电陶瓷堆叠层103的负电极的电极引线端子103a通过导线与负电极片70电气连接。这样，方便通过正电极片50和负电极片70将所有正电极的电极引线端子103a和负电极的电极引线端子103a统一汇集到一起，避免从各个电极引线端子103a上引出的导线出现搭接或缠绕的情况。本实施例的导线可以是金线。

本实施例的正电极片50和负电极片70之间设置有第二绝缘部件60，以使正电极片50和负电极片70保持绝缘状态。正电极片50或者负电极片70与第二压紧部之间设置有第三绝缘部件80，以使正电极片50或负电极片70与第二压紧部之间保持绝缘状态。本实施例的第二绝缘部件60和第三绝缘部件80的材料为氧化铝陶瓷或云母等。本实施例的正电极片50、第二绝缘部件60、负电极片70和第三绝缘部件80各自沿柱状压电陶瓷体10的轴向堆叠。

正电极片50和负电极片70两者的位置由设置于柱状压电陶瓷体10的第二端部102的压电陶瓷堆叠层103的电极极性决定。柱状压电陶瓷体10的第二端部102的压电陶瓷堆叠层103的电极为正电极时，正电极片50与第二端部102的压电陶瓷堆叠层103直接电气连接。柱状压电陶瓷体10的第二端部102的压电陶瓷堆叠层103的电极为负电极时，负电极片70与第二端部102的压电陶瓷堆叠层103直接电气连接。

本发明实施例的连接部件20包括螺栓201和螺母202，结构简单，连接状态稳定。如图3所示，每个压电陶瓷堆叠层103包括中心通孔106。在一个实施例中，采用激光切割工艺在每个压电陶瓷片30上切割形成一个中心孔302。各个压电陶瓷片30同轴堆叠，各个压电陶瓷片30的中心孔302形成中心通孔106。每个压电陶瓷堆叠层103套接到螺栓201的螺柱上。每个压电陶瓷堆叠层103的中心通孔106的孔壁与螺柱的外周表面之间绝缘设置或间隙配合。在一个实施例中，螺柱与孔壁之间可以设置刚性绝缘件以实现两者绝缘配合。在一个实施例中，螺柱的直径小于中心通孔106的直径，从而压电陶瓷堆叠层103的中心通孔106的孔壁与螺柱的外周表面之间形成间隙。本实施例中，连接部件20的第一压紧部为螺栓201的螺帽，第二压紧部为螺母202。

在一个实施例中，第一绝缘部件40、正电极片50、第二绝缘部件60、负电极片70和第三绝缘部件80均为环状结构。组装本发明实施例的压电陶瓷堆叠结构时，依次在螺栓201的螺柱上套接第三绝缘部件80、正电极片50(或负电极片70)、第二绝缘部件60、负电极片70(或正电极片50)、各个压电陶瓷堆叠层103以及第一绝缘部件40，然后在螺柱上旋拧螺母202，直至螺母202将各个结构件沿柱状压电陶瓷体10的轴向锁紧，完成压电陶瓷堆叠结构的组装工作。

本发明实施例的压电陶瓷堆叠结构整体结构简单，适用于批量生产。压电陶瓷堆叠结构中的两个以上的压电陶瓷堆叠层103中每个压电陶瓷堆叠上设置有一个电极引线端子103a。由于电极引线端子103a暴露于外部环境，因此外部设备可以直接与该电极引线端子103a电气连接，从而解决了相邻两个压电陶瓷堆叠层103直接接触设置时无法引线的问题。这样，相邻两个压电陶瓷堆叠层103不需要额外单独设置电极片，直接堆叠形成压电陶瓷堆叠结构的方式，从整体上提高了压电陶瓷堆叠结构的刚性，提升了频响特性。另外，两个以上的压电陶瓷堆叠层103之间的连接是连接部件20实现锁紧。相邻两个压电陶瓷堆叠层103之间不需要设置连接层或粘接剂等，因此能够进一步提高了多层压电陶瓷堆叠结构的刚性。柱状压电陶瓷体10采用膨胀系数相同的压电陶瓷堆叠层103堆叠形成，从而也降低了在高温环境下使用时应力波动的影响，提升了高温环境下的频响特性。

本发明实施例还包括一种压电式传感器，其包括上述实施例的压电陶瓷堆叠结构。常温状态下，本实施例的压电式传感器的频响特性好。在高温环境下，本实施例的压电式传感器受到压电陶瓷堆叠结构受热膨胀时的应力值波动影响较小，高温频响特性好。这样，本实施例的压电式传感器检测精度高。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。