CN106716660B - 层叠式压电陶瓷元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及层叠式压电陶瓷元件并且可以提供一种通过将两个或更多个陶瓷生片层叠而产生的层叠式压电陶瓷元件，该层叠式压电陶瓷元件具有这样的结构，其中构成该层叠式压电陶瓷元件的陶瓷的多孔或有缺陷部分被有机树脂浸渍，从而提高能够防止在高湿度环境中绝缘电阻恶化的防水性能。
Description
技术领域
本发明涉及层叠式压电陶瓷元件，尤其涉及包括覆盖致动器陶瓷层叠体的最上部和最下部并且由陶瓷多孔体形成的多个伪(dummy)陶瓷层，并且通过用有机绝缘树脂溶液浸渍而具有能够防止在高湿度环境中绝缘电阻恶化的提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件。
背景技术
近来，随着工业技术的发展，不具有传导电子且具有用于隔离电和热的绝缘性以及强耦合的稳定性从而具有高熔点和化学稳定性的陶瓷材料以各种方式用作电子材料。
特别地，通常将陶瓷材料用作压电材料，压电材料在接收到压力时输出电或者在被输入电时变形。
上述压电陶瓷技术是指利用陶瓷元件形成当对其施加物理压力时产生电的模块的技术。在此，压电元件是指具有能够将电能和机械能相互转换的特性的元件。
在此，在压电元件中，通过施加到压电陶瓷的力产生电压，并且所产生的电压的电平根据该力的强度而变化。
此外，已经知道，上述压电陶瓷元件具有以高响应性精确控制位移的特性，并且层叠式压电陶瓷元件能够使用小电压获得高位移。
由于上述原因，层叠式压电陶瓷元件通常被采用并用于注射器、微型泵、喷墨头和扬声器。
一般的层叠式压电陶瓷元件具有这样的结构，其中形成具有压电致动器陶瓷层和内部电极交替地层叠的结构的致动器层叠体，并且在该层叠体的最上层、最下层或侧面上形成外部电极。
同时，在层叠式压电陶瓷元件的情况下，应用各种技术以防止在高温和高湿度环境中绝缘恶化或绝缘击穿。
特别是，当在形成致动器层叠体的用于极化的内部电极出现微小裂纹时，湿气会渗入并且发生绝缘恶化或绝缘击穿。
为了解决上述问题，迄今为止，存在通过用无机材料在其中形成防湿层或者包围用于极化的内部电极和压电陶瓷层来抑制水渗入的技术。
然而，在层叠式压电陶瓷元件内形成防湿膜的一般技术难以应用于包括大面积的用于极化的内部电极的产品，并且通过保护用于极化的内部电极和压电陶瓷层来抑制水渗入的技术具有如下问题：由于需要足够的无机材料厚度，致动器的驱动力恶化。
因此，迫切需要一种能够防止在高湿度环境中压电陶瓷元件的绝缘电阻恶化和驱动力恶化的实际的可应用技术。
发明内容
发明要解决的问题
因此，本发明的一个方面是提供一种层叠式压电陶瓷元件，其包括覆盖致动器陶瓷层叠体的最上部和最下部并且由陶瓷多孔体形成的多个伪陶瓷层，并且通过用有机绝缘树脂溶液浸渍而具有能够防止在高湿度环境中绝缘电阻恶化的提高的防水性能。
用于解决问题的方案
本发明的一个方面提供一种通过将两个或更多个陶瓷生片层叠而制造的具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件，其包括这样的结构，其中形成该层叠式压电陶瓷元件的陶瓷的孔部和缺陷部中的一者被包含有机绝缘树脂的有机树脂浸渍，并且在内部电极周围形成防水涂层。
具有提高的防水性能的该层叠式压电陶瓷元件可以包括：致动器陶瓷层叠体，其包括形成在内部电极之间或者内部电极和外部电极之间的多个致动器陶瓷层；以及伪陶瓷层，其覆盖致动器陶瓷层叠体的顶部、底部和两个侧部的一个或多个表面。在此，伪陶瓷层的孔隙率可以在0.5％至5.0％的范围内。
具有提高的防水性能的该层叠式压电陶瓷元件可以经过去除附着到该层叠式压电陶瓷元件的表面的有机树脂的处理。
具有提高的防水性能的该层叠式压电陶瓷元件可以粘附到由金属材料、有机材料和无机材料中的一种材料形成的膜片。
内部电极和外部电极可以由Ag和Ag/Pd材料中的一种材料形成。
致动器陶瓷层可以由包括PZT基材料的压电陶瓷材料形成。
具有提高的防水性能的该层叠式压电陶瓷元件可以经过用有机树脂进行真空浸渍或加压浸渍的处理。
发明效果
如上所述，根据本发明，具有如下效果：通过用诸如硅树脂的有机绝缘树脂溶液浸渍层叠式压电陶瓷元件，使形成伪陶瓷层的孔被有机绝缘树脂浸渍，通过使用这种结构防止水渗入内部电极来提供能够防止在高湿度环境中绝缘电阻恶化的层叠式压电陶瓷元件。
此外，根据本发明，由于可以通过使用具有比致动器陶瓷生片的烧结温度更高的烧结温度的陶瓷压电材料形成伪陶瓷生片的方法来控制孔隙率，因此提供了容易制造具有高防水效果的层叠式压电陶瓷元件的效果。
另外，根据本发明，即使在层叠式压电陶瓷元件的表面上形成的有机绝缘树脂涂层在其浸渍处理中被除去，但是由于有机绝缘树脂包含在形成陶瓷层的陶瓷多孔体的孔中，所以仍具有提供能够容易地与膜片接触并防止防水性能恶化的层叠式压电陶瓷元件的效果。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施例的具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件的俯视图和侧视图。
图2是示出图1所示的a-a'截面的视图。
图3是示出根据本发明的另一个实施例的制造具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件的方法的流程图。
图4是示出图3的流程图应用于本发明的实验例子的更详细的工序图。
图5是示出根据本发明的实验例子在图4中所示的浸渍处理之后去除层叠式压电陶瓷元件的涂覆溶液的处理的视图。
具体实施例
根据本发明的具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件涉及通过将两个或更多个陶瓷生片层叠而制造的层叠式压电陶瓷元件，并且可以通过将一个表面与用于放大由该层叠式压电陶瓷元件产生的振动的膜片结合而应用于压电式扬声器。
在此，该膜片可以使用金属材料、诸如聚合物的有机材料以及诸如纸浆等的有机材料。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。
图1示出根据本发明的一个实施例的具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件的俯视图和侧视图，图2是示出图1中所示的a-a'截面的视图。
如图所示，根据本发明的一个实施例的具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件100可以包括致动器陶瓷层叠体110、多个伪陶瓷层120和多个外部电极130。
更详细地，致动器陶瓷层叠体110可以包括通过印刷两个或更多个陶瓷生片而形成的多个内部电极111和形成在多个内部电极111之间以将多个内部电极电隔离的多个致动器陶瓷层112。
在此，内部电极111可以由银(Ag)或银-钯(Ag-Pd)电极材料形成，并且多个致动器陶瓷层112可以使用PZT-PNN基压电陶瓷材料来制造。
此外，如图2的截面视图所示，致动器陶瓷层112可以包括形成有内部电极111的部分和没有内部电极111的部分。设置在中心部分以及最上层和最下层外侧的内部电极可以形成在相邻的致动器陶瓷层的整个接触表面上。
多个伪陶瓷层120可以布置成覆盖致动器陶瓷层叠体110的最上部和最下部的结构，同时每个一个表面暴露于空气，可以主要阻挡流入致动器陶瓷层112的水，并且可以由具有比致动器陶瓷层112的孔隙率高的孔隙率的陶瓷多孔体形成。
在此，形成多个伪陶瓷层的陶瓷多孔体的孔隙率可以在0.5～5.0％的范围内。为此，可以使用具有比形成致动器陶瓷层叠体110的致动器陶瓷层112的烧结温度相对更高的烧结温度的压电陶瓷材料来控制孔隙率。
例如，在本发明的该实施例中，通过使用具有1000℃的烧结温度的陶瓷材料来形成致动器陶瓷层112和使用具有1050℃的烧结温度的陶瓷材料来形成伪陶瓷层120，可以控制由多孔体形成的陶瓷层的孔隙率。
如上所述，根据一个实施例的具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件包括多个伪陶瓷层，所述多个伪陶瓷层覆盖致动器陶瓷层叠体的最上部和最下部，并且由陶瓷多孔体形成以防止水容易渗入该层叠式压电陶瓷元件。
如图2的截面视图所示，外部电极130可以形成在垂直方向上彼此相对的两侧的端部，并且如图1的俯视图和侧视图所示，每个外部电极130的两端可以形成为设置在多个伪陶瓷层120的外边缘处的结构。
在本发明的该实施例中，外部电极130布置在致动器陶瓷层叠体110的外侧，以执行接收从外侧施加的电力的功能，并且外部电极130可以由银(Ag)电极材料形成。
同时，如下面描述的图3和图4所示，根据本发明的一个实施例的具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件可以具有这样的结构，其中通过用有机绝缘树脂溶液浸渍，使由多孔体形成的陶瓷层的孔被有机绝缘树脂溶液浸渍，并且可以在形成致动器陶瓷层叠体的内部电极周围形成防水涂层。
在此，有机绝缘树脂溶液可以是硅树脂溶液。当有机绝缘树脂溶液涂层形成在多个伪陶瓷层120和外部电极130的表面上时，通过下面描述的图5所示的喷砂处理去除该涂层。然后结合由金属材料、无机材料和有机材料中的一种材料形成的膜片，从而提供例如压电式扬声器装置。
在此，即使元件表面上的有机绝缘树脂溶液涂层被去除，由于有机绝缘树脂包含在由多孔体形成的陶瓷层的孔中，所以仍可以防止防水性能的恶化。
如上所述，通过用诸如硅树脂的有机绝缘树脂溶液浸渍，根据本发明的该实施例的层叠式压电陶瓷元件可以防止水渗入内部电极，并且可以由此防止在高湿度环境中绝缘电阻恶化。
图3是示出根据本发明的另一个实施例的制造具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件的方法的流程图。
如图所示，根据本发明的另一个实施例的制造具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件的方法可以包括：第一操作S10，制备陶瓷生片；第二操作S20，在该陶瓷生片上形成内部电极；第三操作S30，在将其上形成有内部电极的致动器生片和惰性伪生片层叠来形成层叠式压电元件形成体；第四操作S40，执行初级烧结用于脱脂(de-binding)；第五操作S50，对层叠式压电元件形成体进行第二次烧结，第六操作S60，在层叠式压电元件烧结体上形成外部电极；以及第七操作S70，形成层叠式压电陶瓷元件。
更详细地，第一操作S10是使用具有不同烧结温度的两种类型的压电陶瓷材料制备致动器陶瓷生片和具有比致动器陶瓷生片相对更高的烧结温度的伪陶瓷生片的操作，并且可以是控制形成伪陶瓷生片的压电陶瓷材料的孔隙率以提高防水性能的操作。
在此，在本发明的另一个实施例中使用的陶瓷生片可以使用通过使用球磨机混合PZT-PNN基压电陶瓷粉末、有机溶剂、粘合剂、增塑剂和分散剂制成的压电元件浆料来制造。
接下来，第二操作S20是在致动器陶瓷生片上形成内部电极的操作，并且可以是在使用上述压电元件浆料制造出厚度为30μm至100μm的陶瓷生片后在陶瓷生片上形成用于极化的内部电极的操作。
接下来，第三操作S30可以是这样的操作，通过将伪陶瓷生片布置在最上层和最下层上，并且布置和压紧其中具有内部电极的多个这样的致动器陶瓷生片以形成层叠结构，然后以规则的间隔将其切割以形成层叠式压电元件形成体。
接下来，第四操作S40可以是在比致动器陶瓷生片的烧结温度低的温度进行初次烧结的操作以将层叠式压电元件形成体脱脂。
接下来，第五操作S50可以是通过在致动器陶瓷生片的烧结温度对已经被初次烧结的层叠式压电元件形成体进行第二次烧结来形成层叠式压电元件烧结体的操作，该层叠式压电元件烧结体包括致动器陶瓷层叠体和覆盖致动器陶瓷层叠体的上部和下部并且由陶瓷多孔体形成的多个伪陶瓷层。
在此，如上所述，由于用于制造伪陶瓷层的压电陶瓷材料的烧结温度高于致动器陶瓷层的烧结温度，所以形成伪陶瓷层的陶瓷多孔体的孔隙率可以被形成为比形成致动器陶瓷层的陶瓷多孔体的孔隙率高，以在后述的浸渍处理中提高有机绝缘树脂溶液的渗入率。
第六操作S60可以是在已经被第二次烧结的层叠式压电元件烧结体上形成外部电极并且在比致动器陶瓷生片的烧结温度低的温度进行第三次烧结的操作。在此，根据被设置为平稳地执行接收从外部电源施加的电力的功能的装置的结构，外部电极被形成为各种形状，例如，在本发明的该实施例中在层叠式压电元件的侧表面的垂直方向上，以将两端定位在顶部和底部，但是可以根据需要以各种图案印刷。
第七操作S70可以是通过向已经被第三烧结的层叠式压电元件烧结体的外部电极施加电力以形成层叠式压电陶瓷元件的操作。
同时，根据本发明的另一个实施例的制造具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件的方法的第五操作可以是这样的操作，其中在层叠式压电元件烧结体的最上层和最下层上形成具有在0.5至5.0％范围内的孔隙率的伪陶瓷层，并且形成在伪陶瓷层之间的包括多个内部电极的致动器陶瓷层叠体和在多个内部电极之间形成的多个致动器陶瓷层。
此外，在第七操作S70之后，还可以包括第八操作S80，其通过用有机绝缘树脂溶液浸渍已经被极化的层叠式压电陶瓷元件来填充形成层叠式压电陶瓷元件的陶瓷层的孔，并且在致动器陶瓷层叠体的内部电极周围形成防水涂层。
另外，如上所述，在第八操作S80之后，可以进一步包括这样的操作，通过喷砂处理去除在浸渍处理期间产生的多个伪陶瓷层和外部电极的表面上的有机绝缘树脂溶液涂层。
如上所述，由于根据本发明的另一个实施例的制造具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件的方法是使用具有比致动器陶瓷生片的烧结温度高并且能够控制孔隙率的陶瓷压电材料来形成伪陶瓷生片的方法，所以容易地制造具有高防潮效果的层叠式压电陶瓷元件，并且可以通过用诸如硅树脂的有机绝缘树脂溶液浸渍整个层叠式压电陶瓷元件来提高防潮效果。
下面，参照实验例子详细描述根据本发明的形成具有提高的防水性能的层叠式压电陶瓷元件的伪陶瓷层的孔隙率带来的效果。
图4是示出图3的流程图应用于本发明的实验例子的更详细的工序图。
<实验例1>
-使用具有比图2所示的致动器陶瓷层的陶瓷材料的烧结温度高的烧结温度的PZT-PNN基压电陶瓷粉末制造能够如下[表1]所示在层叠式压电元件的烧结处理(图4的8.形成)期间将伪陶瓷层的孔隙率控制为0.3％、0.54％、1.2％、4.8％的层叠式压电陶瓷元件形成体。
-1.为了制造该形成体，通过使用球磨机混合PZT-PNN基压电陶瓷粉末、有机溶剂、粘合剂、增塑剂和分散剂来制造浆料(在区分彼此具有不同烧结温度的用于致动器陶瓷的浆料和用于伪陶瓷的浆料的同时制造)。
-2.接下来，使用这些浆料制造厚度为30μm至100μm的致动器陶瓷生片和厚度为20μm的伪陶瓷生片。
-3.在致动器陶瓷生片上印刷内部电极。
-4.通过在内部布置多个这种致动器陶瓷生片并且在外部布置伪陶瓷生片来形成陶瓷层叠结构。
-5.6.通过压紧并切割陶瓷层叠结构的生片来形成陶瓷形成体。
-7.8.通过在500℃的温度将陶瓷形成体脱脂，并且将陶瓷形成体放入密封容器中，在1050℃的温度进行二小时的第二次烧结，获得层叠式压电陶瓷烧结体。
-9.10.11.通过在该烧结体上印刷Ag的外部电极，在600℃的温度烧结，并将其极化来获得图1和图2所示的层叠式压电陶瓷元件。
-在此，在该层叠式压电陶瓷元件中，由致动器陶瓷层以0.075mm的电极间距离形成致动器陶瓷层叠体，伪陶瓷层以20μm的厚度安装在陶瓷层叠体的顶部和底部作为用于防止水渗入的保护层，并且外部电极的边缘为0.15mm。
[表1]
| 有源层 | 伪层 | 伪层孔隙率 | |
| 项目1 | 粉末1 | 粉末1 | 0.3％ |
| 项目2 | 粉末1 | 粉末2 | 0.54％ |
| 项目3 | 粉末1 | 粉末3 | 1.2％ |
| 项目4 | 粉末1 | 粉末4 | 4.8％ |
| 项目5 | 粉末1 | 粉末5 | 9.3％ |
-12.将具有烧结后的外部电极的样品作为被评价的样品放入硅树脂溶液中，并且在接近真空状态的减压环境中浸渍30分钟，以充分渗入陶瓷多孔体的孔中。
-在浸渍后进行在室温下干燥2小时和在130℃的温度固化1小时的处理。
-通过将该被评价的样品放入温度为85℃且相对湿度(RH)为95％的等温-均匀层中作为用于评价湿度性能的条件并且施加DC38V(0.5kV/mm)来评价绝缘电阻的变化。
<实验例1>的结果如以下[表2]。
[表2]
伪陶瓷层的孔隙率较大时，未用硅树脂浸渍的样品具有很大的绝缘电阻(IR)恶化，但是用硅树脂浸渍的样品的绝缘电阻恶化的重复率总体上降低。
此外，考虑到当孔隙率为0.3％以下时，无论是否存在树脂浸渍，在100小时样品绝缘电阻都恶化，可以知道当伪陶瓷层的孔隙率低时，伪陶瓷层起到保护层的作用。
同时，可以知道当孔隙率为9.3％时，可以获得树脂浸渍效果，但是不充分。这是因为在内部陶瓷的情况下，孔形成在压电陶瓷元件的表面上，并且不渗入压电陶瓷元件。因此，当孔隙率高时，由于树脂的浸渍不充分，所以不可能获得足以防止绝缘电阻恶化的效果。
因此，为了抑制绝缘电阻的恶化，不仅需要用有机绝缘树脂溶液浸渍，而且还需要将伪陶瓷层的孔隙率控制在0.5～5.0％的范围内。
图5是示出根据本发明的实验例子的在图4所示的浸渍之后去除层叠式压电陶瓷元件(样品)的涂覆溶液的处理的视图。
<实验例2>
-如图5所示，作为实验例子，通过使用喷砂法向已经用硅树脂浸渍的样品的表面喷砂来抛光该表面。
-使用环氧树脂将具有抛光表面的样品附着到用作金属膜片的SUS板，然后进行绝缘电阻恶化实验。
以下[表3]是<实验例2>的结果
[表3]
如[表3]中所示的结果，不可能将层叠式压电陶瓷元件浸渍后表面未抛光的样品附着到SUS板。
这可能是因为由于具有抑制水渗入效果的树脂涂层引起的拒水性，所以难以通过氢键进行粘附。
同时，可以知道具有抛光表面的样品可以附着到SUS板，并且在比较实验中也未观察到绝缘电阻恶化。
也就是说，由于不仅层叠式压电陶瓷元件(样品)的表面被树脂涂覆，而且在浸渍处理中由多孔体形成的陶瓷层的孔被树脂浸渍，所以防止水渗入。
如上所述，根据本发明，具有如下效果，通过用诸如硅树脂的有机绝缘树脂溶液浸渍层叠式压电陶瓷元件，使形成伪陶瓷层的孔被有机绝缘树脂浸渍，通过使用这种结构防止水渗入内部电极来提供能够防止在高湿度环境中绝缘电阻恶化的层叠式压电陶瓷元件。
此外，根据本发明，由于可以通过使用具有比致动器陶瓷生片的烧结温度更高的烧结温度的陶瓷压电材料形成伪陶瓷生片的方法来控制孔隙率，因此提供了容易制造具有高防水效果的层叠式压电陶瓷元件的效果。
另外，根据本发明，即使在层叠式压电陶瓷元件的表面上形成的有机绝缘树脂涂层在其浸渍处理中被除去，但是由于有机绝缘树脂包含在形成陶瓷层的陶瓷多孔体的孔中，所以仍具有提供能够容易地与膜片接触并防止防水性能恶化的层叠式压电陶瓷元件的效果。
虽然已经详细描述了本发明，但是显然已知的是，上述实施例仅是示例性的，而不旨在是限制性的，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的技术概念或领域的情况下可以对部件进行各种修改。
Claims (5)
1.一种层叠式压电陶瓷元件，通过层叠两个或更多个陶瓷生片制造，包括这样的结构，其特征在于，
其中所述的层叠式压电陶瓷元件包括：
致动器陶瓷层叠体，其包括形成在内部电极之间或者内部电极和外部电极之间的多个致动器陶瓷层；以及
伪陶瓷层，其覆盖所述致动器陶瓷层叠体的顶部、底部和两个侧部的一个或多个表面，以及
其中所述伪陶瓷层的孔隙度高于所述多个致动器陶瓷层的孔隙度，其中所述伪陶瓷层被有机树脂浸渍。
2.根据权利要求1所述的层叠式压电陶瓷元件，
其中所述伪陶瓷层的所述孔隙度在0.5％至5.0％的范围内，以提高防水性能。
3.根据权利要求2所述的层叠式压电陶瓷元件，其中所述内部电极和所述外部电极由Ag和Ag/Pd材料中的一种材料形成。
4.根据权利要求2所述的层叠式压电陶瓷元件，其中所述致动器陶瓷层由包括PZT基材料的压电陶瓷材料形成。
5.根据权利要求2所述的层叠式压电陶瓷元件，经过用所述有机树脂进行真空浸渍或加压浸渍的处理。
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