预防裂纹扩展的致动器、制备方法及终端与流程

本发明涉及压电技术领域，尤其是涉及一种预防裂纹扩展的致动器、制备方法及终端。

背景技术：

现今我们使用的微致动器，它属于精密驱动定位技术、自动控制技术、精密微调技术中产生所需微米级乃至纳米级位移输出精度的驱动器，他由压电陶瓷制成。

这种微致动器利用了压电陶瓷的逆压电效应和可叠加原理，采用压电陶瓷与电极浆料共烧而成、正负极并联，经外表面包封而成。当施加外电压时，每一片压电陶瓷沿极化方向发生变形，可以使微位移器的形变量满足所需的零点几微米到几十微米的形变量范围，从而产生变形同时使其有良好的刚度、线性度和分辨率。由于我们所需的形变量不同，而形变量的产生是各个陶瓷片的形变量的叠加，所以我们需要不同的位移量时，压电陶瓷单元的数量也不同。

当在整个压电堆上施加一个电压时，那么各个压电单元将产生逆压电效应，开始往一个方向上产生形变，这些形变的叠加就是整个器件的位移量，也就是说整个器件的位移量的关键就是：各个压电单元都产生了形变，但边缘位置不产生位移，则产生微位移区域对不产生位移区域会产生拉伸力，因而产生疲劳损伤而出现裂纹，裂纹还会产生无序扩展，如果裂纹扩展至压电单元的厚度方向，就会产生器件内部不良，从而产生失效。而传统的器件的问题也就出现在了这里。层间开裂或者层厚度方向的开裂，这些裂纹的产生和延伸都是无序的，这个裂纹不可控的情况下产生，极易导致器件失效，传统的器件制作方式是无法解决这个问题的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种预防裂纹扩展的致动器、制备方法及终端，以缓解现有技术中存在的层间开裂并且裂纹无序的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

一种预防裂纹扩展的致动器，包括多个层叠设置的压电单元，所述压电单元包括依次层叠设置的第一基体层、第一电极层、第二基体层和第二电极层，

所述第一基体层与所述第二基体层之间形成有与所述第一电极层位于同一平面的第一空隙；所述第二基体层与所述第二电极层之间形成有与所述第二电极层位于同一平面的第二空隙；所述第一空隙填充有第一填充层，所述第二空隙填充有第二填充层，其中，所述第一填充层和所述第二填充层内部具有微孔结构。

更进一步地，

所述致动器还包括第一电极和第二电极，所述第一电极与所有的压电单元的第一电极层连接，所述第二电极与所有的压电单元的第二电极连接。

更进一步地

所述第一电极与所有的压电单元的第一电极层形成总分结构；所述第二电极与所有的压电单元的第二电极层形成总分结构。

更进一步地

所述第一电极与所述第二电极的极性相反。

更进一步地

所述第一基体层和所述第二基体层均由压电陶瓷材料制成。

更进一步地

所述第一填充层和所述第二填充层均由多孔无机非金属材料制成。

更进一步地

制备所述第一填充层和所述第二填充层的材料包括造孔剂、无机非金属材料、胶黏剂及溶剂等。

更进一步地

制备所述第一填充层和所述第二填充层的无机非金属材料包括锆钛酸铅、锆钛酸铅改性材料、氧化锆或氧化铝中的任意一种。

一种致动器的制备方法，包括：

第一基体层和第二基体层之间填充第一电极层，并且在所述压电单元的第一端，所述第一基体层、所述第二基体层以及所述第一电极层的端面齐平，在所述压电单元的第二端，所述第一基体层与所述第二基体层之间形成有与所述第一电极层位于同一平面的第一空隙；

第二基体层和相邻的压电单元的第一基体层之间填充第二电极层，并且，在所述压电单元的第二端，所述第二基体层、所述第二电极层以及相邻的压电单元的所述第一基体层的端面齐平，在所述压电单元的第一端，第二基体层与所述第二电极层之间形成有与所述第二电极层位于同一平面的第二空隙；

第一空隙填充第一填充层；

第二空隙填充第二填充层；

将多个所述压电单元共烧成型。

一种终端，包括上述的致动器。

结合以上技术方案，本发明能够达到的有益效果在于：

本发明提供的预防裂纹扩展的致动器，包括多个层叠设置的压电单元，所述压电单元包括依次层叠设置的第一基体层、第一电极层、第二基体层和第二电极层，所述第一基体层与所述第二基体层之间形成有与所述第一电极层位于同一平面的第一空隙；所述第二基体层与所述第二电极层之间形成有与所述第二电极层位于同一平面的第二空隙；所述第一空隙填充有第一填充层，所述第二空隙填充有第二填充层，其中，所述第一填充层和所述第二填充层内部具有微孔结构。

致动器在加电压时，对第一电极层与第二电极层正对的区域施加电压，也即只对与第一电极层和第二电极层接触的第一基体层和第二基体层施加电压，而对第一电极层和第二电极层的边缘区域(未与第一电极层或者第二电极层接触的区域)未施加电压，被施加电压的区域变厚而输出位移，未被施加电压的区域不产生形变，因而产生位移的基体层与未产生位移的边缘基体层之间产生了拉扯力。然而，本发明在基体层与基体层之间的层间空隙位置填充有填充层材料，该填充层内部具有孔隙结构，孔隙结构具有吸收应力及阻止微裂扩展的作用，也即拉扯作用力首先导致填充层产生裂纹，也即不会导致基体层的裂纹扩展，所以采用本发明制作的这种致动器不易产生微裂，解决了现有技术中存在的层间开裂并且裂纹无序扩展的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为现有技术中的致动器发生裂纹扩展时的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的压电单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的致动器的第一电极和第二电极的连接示意图；

图4为压电单元与相邻的压电单元的第一基体层连接的示意图；

图5为本发明实施例提供的致动器发生裂纹扩展时的结构示意图。

图标：110－第一基体层；120第一电极层；130－第二基体层；140－第二电极层；101－第一填充层；102－第二填充层；200－第一端；300－第二端；400－第一电极；500－第二电极。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，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，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。

下面结合附图对实施例1、实施例2和实施例3进行详细描述：图1为现有技术中的致动器发生裂纹扩展时的结构示意图；图2为本发明实施例提供的压电单元的结构示意图；图3为本发明实施例中提供的致动器的第一电极和第二电极的连接示意图；图4为压电单元与相邻的压电单元的第一基体层连接的示意图；图5为本发明实施例提供的致动器发生裂纹扩展时的结构示意图。

实施例1

请一并参照图1至图5，本实施例提供了一种预防裂纹扩展的致动器，包括多个层叠设置的压电单元，压电单元包括依次层叠设置的第一基体层110、第一电极层120、第二基体层130和第二电极层140。

第一基体层110与第二基体层130之间形成有与第一电极层120位于同一平面的第一空隙；第二基体层130与第二电极层140之间形成有与第二电极层140位于同一平面的第二空隙；第一空隙填充有第一填充层101，第二空隙填充有第二填充层102，其中，第一填充层101和第二填充层102内部具有微孔结构。

致动器在加电压时，对第一电极层120与第二电极层140正对的区域施加电压，也即只对与第一电极层120和第二电极层140接触的第一基体层110和第二基体层130施加电压，而对第一电极层120和第二电极层140的边缘区域(未与第一电极层120或者第二电极层140接触的区域)未施加电压，被施加电压的区域变厚而输出位移，未被施加电压的区域不产生形变，因而产生位移的基体层与未产生位移的边缘基体层之间产生了拉扯力。然而，本发明在基体层与基体层之间的层间空隙位置设置有填充层，该填充层内部具有孔隙结构，孔隙结构具有吸收应力及阻止微裂扩展的作用，也即拉扯作用力首先导致填充层产生裂纹，也即不会导致基体层的裂纹扩展，所以采用本发明制作的这种致动器不易产生微裂纹，解决了现有技术中存在的层间开裂并且裂纹无序扩展的技术问题。

本发明的可选方案中，较为优选地，请参照图3，致动器还包括第一电极400和第二电极500，第一电极400与所有的压电单元的第一电极层120连接，第二电极500与所有的压电单元的第二电极500连接。更进一步地，第一电极400与所有的压电单元的第一电极层120形成总分结构，上述的总分结构意思表示为，从第一电极400的端部引出多根引线，每根引线对应一个第一电极层120，引线的数量可根据致动器中层叠的压电单元的数量对应设置。更进一步的，第二电极500与所有的压电单元的第二电极层140形成总分结构。上述的总分结构意思表示为，从第二电极500的端部引出多根引线，每根引线对应一个第二电极层140，引线的数量可根据致动器中层叠的压电单元的数量对应设置。

本发明的可选方案中，较为优选地，第一电极400与第二电极500的极性相反。由于与第一电极400相连的多根引线的背离第一电极400的一端分别与第一电极层120相连，与第二电极500相连的多根引线的背离第二电极500的一端分别与第二电极层140相连，在第一电极400和第二电极500极性相反的情形下，第一电极层120与第二电极层140的极性相反，因而形成了多个并联电极。

本发明的可选方案中，较为优选地，在压电单元的第一端200，第一基体层110、第二基体层130和第一电极层120的端面齐平。上述的第一基体层110、第二基体层130和第一电极层120在第一端200的端面齐平的设置方式，可以防止第一基体层110和第二基体层130之间在第一端200形成间隙，间隙的存在容易导致应力集中而产生裂纹。

本发明的可选方案中，较为优选地，在压电单元的与第一端200相对的第二端300，第二基体层130、第二电极层140以及相邻的压电单元的第一基体层110的端面齐平。上述的第二基体层130、第二电极层140以及相邻的压电单元的第一基体层110的在第二端300的端面齐平的设置方式，可以防止第二基体层130与相邻的压电单元的第一基体层110之间在第二端300形成间隙，间隙的存在容易导致应力集中而产生裂纹。

本发明的可选方案中，较为优选地，第一基体层110和第二基体层130均由压电陶瓷材料制成。

本发明的可选方案中，较为优选地，第一填充层101和第二填充层102均包括无机非金属材料。上述无机非金属材料优选与基体层的压电陶瓷材料相同，例如可以是锆钛酸铅材料，以及锆钛酸铅改性材料；特殊材料可以是氧化锆、氧化铝的结构陶瓷材料。制备工艺例如可以是：在陶瓷原材料中添加造孔剂，然后将致动器整体烧结成型，造孔剂使得第一填充层101和第二填充层102内产生大量微孔。更进一步地，第一填充层101的孔隙率大于第一基体层110和第二基体层130的孔隙率。更进一步地，第二填充层102的孔隙率大于第二基体层130和相邻的压电单元的第一基体层110的孔隙率。

实施例2

本实施例提供了一种预防裂纹扩展的致动器的制备方法，包括：

s1：第一基体层110和第二基体层130之间填充第一电极层120，并且在压电单元的第一端200，第一基体层110、第二基体层130以及第一电极层120的端面齐平，在压电单元的第二端300，第一基体层110与第二基体层130之间形成有与第一电极层120位于同一平面的第一空隙；

s2：第二基体层130和相邻的压电单元的第一基体层110之间填充第二电极层140，并且，在压电单元的第二端300，第二基体层130、第二电极层140以及相邻的压电单元的第一基体层110的端面齐平，在压电单元的第一端200，第二基体层130与第二电极层140之间形成有与第二电极层140位于同一平面的第二空隙。

s3：第一空隙填充第一填充层101；

s4：第二空隙填充第二填充层102；

s5：将多个压电单元共烧成型。

工作原理及产生的有益效果简述如下：

致动器在加电压时，对第一电极层120与第二电极层140正对的区域施加电压，也即只对与第一电极层120和第二电极层140接触的第一基体层110和第二基体层130施加电压，而对第一电极层120和第二电极层140的边缘区域(未与第一电极层120或者第二电极层140接触的区域)未施加电压，被施加电压的区域变厚而输出位移，未被施加电压的区域不产生形变，因而产生位移的基体层与未产生位移的边缘基体层之间产生了拉扯力。然而，本实施例中，制备第一填充层101和第二填充层102的材料为包含造孔剂的无机材料。造孔剂使得第一填充层101和第二填充层102内产生大量微孔。第一填充层101的孔隙率大于第一基体层110和第二基体层130的孔隙率。第二填充层102的孔隙率大于第二基体层130和相邻的压电单元的第一基体层110的孔隙率。因而第一填充层101和第二填充层102的强度小于第一基体层110和第二基体层130的强度，第一填充层101和第二填充层102形成了应力薄弱区，在压电单元发生多次振动变形后，第一填充层101和第二填充层102首先发生裂纹扩展，即第一填充层101和第二填充层102首先发生断裂行为。第一填充层101填充第一空隙，以及第二填充层102填充第二空隙后，应力被填充层分散，避免了现有技术中的应力容易在第一基体层110和第二基体层130的空隙附近集中的问题，因而可以有效避免陶瓷层开裂的技术问题。

实施例3

本实施例提供了一种终端，包括实施例1中的致动器。本实施例中的终端例如可以是微驱动和微进给平台，电子显微镜，高精度数控机床，激光器转置镜，成像设备，精密控制的设备等。由于该终端包括了实施例1中的致动器，因而具备实施例1中的致动器的所有有益效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。