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复合压电变压器的制作方法

xiaoxiao2020-08-01  3

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专利名称:复合压电变压器的制作方法
背景技术
为了克服上述和线绕变压器的许多其他问题,在现有技术中已提供了利用压电效应的压电陶瓷变压器(或PT)。与电磁变压器比较起来,PT具有准确的输出电压对输入电压率的频率特性,其在谐振频率有一个峰值。该谐振频率取决于包括压电陶瓷和电极在内的构成变压器的材料的材料常数和材料大小以及变压器的工作模式。此外,PT比一般的电磁变压器具有很多优点。可以使PT的尺寸比同等变换率的电磁变压器更小,可以使PT不可燃,并且不产生电磁引发的干扰。
在PT中使用的陶瓷体采用各种形式和结构,包括环、平板等。在

图1和图2中说明了现有PT的典型示例。这种类型的PT一般称为“罗森型(Rosen-type)”压电变压器。基本的罗森型压电变压器在美国专利2,830,274号中被公开,并且这个基本装置的多种变型在现有技术中是公知的。典型的罗森型PT包含长度比宽度明显地长并且宽度比厚度宽很多的平陶瓷板20。在图1的情况下,压电体20为平板的形式,即它的宽度比厚度宽很多,并且长度比宽度长。
如图1中所示,压电体20被使用,其某些部分与其它部分不同地被极化。板20的绝大部分即在板的中心右面的发生器部分22被纵向地极化,并且其沿着极化的方向具有高的阻抗。板的剩余部分即振动器部分21朝板面的表面(沿厚度方向)被横向地极化并且其沿着极化的方向具有低阻抗。在这种情况下,板的振动器部分21实际上被分成两个部分。将振动器部分21的第一部分24沿一个方向横向地极化,同时也将振动器部分21的第二部分26横向地极化,但其是沿与振动器部分21的第一部分24中极化方向相反的方向。
为了使电压能够与板20中的机械应力相关而提供电极。如果需要,可以是如所示接地的公共电极28。为了板20的低阻抗振动器部分21对面的基本连接和相关电压,在公共电极28对面有一个电极30。为了使电压与板20的高阻抗发生器部分22中沿纵向产生应力相关,在板的末端上有一个用于同公共电极28相配合的第二或高压电极35。电极35所示为在它的相对端与接地的输出负载36的端子34相连。
在图1说明的装置中,将低阻抗振动器部分21的电极28和电极30间的施加电压上升到在高阻抗发生器部分中电极28和电极35间的一个较高电压,用以比在电极28和30之间施加的电压高的电压提供负载36。该施加电压在X-Y和Y-Z表面区域中通过成比例的变化致使板变形。更具体地说,通过把交变电压分别施加于驱动电极28和电极30控制罗森PT。在低阻抗振动器部分21中横向效应模式(“d31模式”)下纵向振动由此被激励。在低阻抗振动器部分21中横向效应模式振动反过来在高阻抗发生器部分22中纵向效应纵向振动模式(“g33模式”)激励振动。因此,在电极28和35之间获得高电压输出。另一方面,如人们所了解的,为了获得降低的电压的输出,进行纵向效应模式振动的高阻抗部分22可以用作输入,同时,经受横向效应模式振动的低阻抗部分21用作输出。
发现的罗森型PT的缺点在于仅可使用的耦合系数是K31,其与非常小的横向效应纵向振动模式(“d31模式”)有关,这导致只获得一个非常小的带宽。像这样传统的压电变压器仅工作在大约200千赫兹(KHz)以内。
这种现有PT内在的另一个问题是它们具有相对低的功率传输容量。现有PT的这个缺点涉及到在装置的振动部分21和装置的驱动部分22之间很少或不能获得任何机械优势,因为基本上每一个是相同电动部件的一个部分。这内在地限制装置的机械能量传输能力,其又内在地限制这种装置的电功率处理能力。
另外,甚至在谐振的情况下,由于通过X-Y和X-Y压电部件表面区域中成比例的变化(或在某些实施例中,在X-Y和X′-Y′表面区域中变化)实现罗森型PT的压电电压传输功能,该变化的幅度相对地较低,因此使用这种压电变压器的现有电路的功率处理能力是固有地低。
此外,为了分别“推”和“拉”使部件进入需要的形态,典型的罗森变压器通常必需在部件的振动器部分21的相对表面交替地施加正电压和负电压。
甚至在谐振的情况下,包含这种现有PT的现有电路效率相对较低,因为在“推”压电部件进入第一形态的第一半周期操作期间需要的能量在“拉”半周期的操作期间大量地被损耗(即通过生成热量)。该热量的产生与电路效率的降低、增加失火的危险以及/或者在元件和电路方面降低可靠性相对应。
此外,为了降低这种热生成电路的温度,电路元件(典型地包括开关晶体管和其他元件以及变压器自身)是过大的,其减少了其中可以利用该电路的应用,并且也增加了电路的成本/价格。
由于这种现有PT的功率传输容量太低,在现有技术中为了实现比独自使用一个这种现有变压器功率传输容量大的功率传输容量,通常是将几个这种变压器一起结合为多层“层叠结构当然,这增加了变压器的体积和制造成本。
PT沿厚度方向极化和振动通常也是公知的(即振动是与层的极化方向平行的)。显示在图3和图4中的Inoue发明的美国专利5,118,982号说明了这种“厚度模式”振动PT。典型地厚度模式振动PT包含低阻抗部分11和相互层叠的高阻抗部分12。典型地厚度模式PT的低阻抗部分11和高阻抗部分12包含一系列交替的陶瓷层和电极层。每一部分至少由两个电极层和至少一个压电材料层组成。将低阻抗部分11的压电陶瓷层的每一个和高阻抗部分12的陶瓷层沿厚度方向极化(与陶瓷层间的界面垂直)。在每一部分11和12中每个交替的电极层可以被相互连接并可与所选择的外部端子相连。
图3的厚度模式PT包含含有多个压电层的低阻抗部分11和含有一个压电层的高阻抗振动器部分12,如图4中所示,各层的每一个被整体地叠置并且在厚度扩张模式下被引起振动。
低阻抗部分11有一个叠层的结构,其包含通过134每一个被置于含有顶面电极层201和内部电极层131的电极之间的多层压电层。高阻抗部分12由底部电极层202、内部电极层134和置于电极层202和电极层134之间的单一压电层构成。在每一个压电层中,极化是如箭头所示分别朝厚度方向。在低阻抗部分11中,交替的压电层沿相互相反的方向被极化。在高阻抗部分12中,极化也是朝厚度方向。
图3的三端子结构带有一个每个部分的一个端子16与其相连的公共电极134。在图4中,四端子结构包含一对用于低阻抗部分11的端子16和17以及另一对用于高阻抗部分12的端子18和19。图3或图4的PT的每一层的厚度等于驱动频率的半波长(λ/2)或一个全波长(λ)。
当交变电压施加于振动器部分11的陶瓷层的电极层两端时,在与各层的极化的方向平行的陶瓷层中以纵向振动模式(“d33模式”)振动被激励。低阻抗部分11的这个振动在高阻抗部分12中激励振动。当高阻抗部分12振动时,高阻抗部分12的g33模式变形在高阻抗部分12的电极生成电压。当以厚度扩张模式操作PT时,以λ/2模式或λ模式的PT的谐振频率取决于PT的各个层的厚度,并且PT因此在1-10兆赫兹(MHz)的频率范围内工作。更具体地说,PT各个层的每一个的厚度必须等于PT工作的谐振频率的半波长的整倍数。
现有的厚度模式PT带有的问题是对一些应用来说厚度模式谐振频率太高。
现有的厚度模式PT带有的另一个问题是对于一些应用来说它们没有充足的功率传输容量。
现有的厚度模式PT带有的又一个问题是陶瓷层添加到PT不能大大地增加这种装置的功率强度,并且其可能增加容性和介电损耗。
因此,希望的是提供一种具有比同样地大小的现有压电变压器大的功率传输容量的压电变压器设计。
同样希望的是提供一种比现有的具有同样功率传输容量的压电变压器小的压电变压器。
同样希望的是提供一种压电变压器,其中,装置的“驱动”部分和装置的“被驱动”部分不是相同的电动部件。
提供一种在装置的驱动部分和装置的被驱动部分之间发挥极大的机械优势的压电变压器也将是希望的。
同样希望的是提供一种压电变压器,其按照它的固有频率振荡,具有比同样大小的现有压电变压器能实现的动量大的动量。
同样希望的是提供一种压电变压器,其不产生与现有装备一样多的热量,并因此降低由于热量所造成的损耗。
PT的最外部分包含连接到PT的中央输出部分的输入部分。PT的结构允许它以应于它的总厚度的PT的纵向谐振频率被驱动,其增加可实现的PT增益和功率强度。本发明的优选实施例提供一种能够实现高机械动量的多层压电变压器(并且,因此能够高能量存储和传输)。
因此,本发明的一个目的是提供一种比同样地大小的现有PT功率传输容量大的PT设计。
本发明的另一个目的是提供一种比现有的具有同样功率传输容量的PT小的PT。
本发明的又一个目的是提供一种PT,其中装置的“驱动”部分和装置的“被驱动”部分不是相同的电动部件。
提供一种在装置的驱动部分和装置的被驱动部分之间发挥真正的机械优势的PT是本发明的另外一个目的。
本发明的再一个目的是提供一种PT,其按照它的固有频率,以比同等尺寸的现有PT可实现的动量大的动量振荡。
本发明的另一个目的是提供一种比执行类似的信号变换功能的现有PT相对便宜的PT。
本发明的另一个目的是提供一种以较大动量振动以实现比现有PT高的增益的PT。
本发明的又一个目的是提供一种以较低频率振动以实现比现有PT高的增益的PT。
本发明的再一个目的是提供一种PT并且该PT比具有层叠结构的现有PT更易于生产。
本发明的另外一个目的是提供一种具有较少容性和介电损耗的PT。
图8是显示本发明使用隔离层的压电变压器的另一个实施例并显示优选的电子连接的透视图;以及图9是在显示各个层的具体结构的图8中沿着变压器的线9-9的立剖面图。
典型的厚度模式压电变压器(TMPT)利用多层结构试图对电路应用提供较高的电压增益和功率。变换率一般基本上与输入和输出部分的阻抗比的平方成正比。但是对加入陶瓷层的效能是有实际限制的,并且在某一点之后加入的陶瓷层不能对TMPT的增益产生影响。在本发明中发现利用将PT各层的结合在一起的特定结构并以特定的模式控制它可以在PT中有效地增加可实现的增益。
根据从能量的观点简化考虑,以厚度扩张模式振动工作的压电变压器的输出功率P大致表示为P fr·V·33s·Kt2-P/Qm其中,fr表示厚度扩张模式谐振频率;33s表示约束介电常数;V表示压电变压器的体积;Kt表示厚度扩张模式振动的机电耦合系数;以及Qm表示机械质量系数。所以在PT中,每一单位体积的功率输出(功率强度)随机电耦合系数Kt变化和压电陶瓷谐振器的谐振频率fr增高增加。通过增加压电变压器的机械质量系数,功率传输效率可以变得较高。运用分层技术,现有PT具有较差的平行精度和平面度,其结果导致了低的机械质量系数和较低的功率传输效率。
参照图5-7在本发明中,该PT包含带有两个输入部分31和33以及一个中央输出部分32的复合结构。第一输入部分31具有一个第一厚度T1,第二输入部分33具有一个第二厚度T2并且输出部分32具有一个第三厚度T3。将PT1的输入部分31和33以及输出部分32以一种形式即利用整个变压器的低频纵向谐振模式连接在一起。
在图5的PT1中,PT1具有一个位于两个输入部分31和33之间的输出部分32。PT1的输出部分32包含由输出端子47分离的压电陶瓷的两个层40-45。两个输出层40-45的每一个最好包含具有电极(银和/或镍)电沉积在其上的PZT材料的圆盘。更具体地说,第一输出层40具有沉积在它的正对面上的电极143和144,同时第二输出层45带有沉积在它的正对面上的电极141和142。将两个输出层40和45的每一个沿它们主面的其中一个连接到中央输出端子47。中央输出端子47最好包含铜箔。在输出层40和45的剩余主面上也连接有输出端子46和48,输出端子46和48的每一个也最好包含铜箔。更具体地说,将一个输出端子46连接到第一输出陶瓷层40的剩余主面,并且将另一个输出端子48连接到第二输出陶瓷层45的剩余主面。输出层40和45与端子46,47和48的粘接最好使用由Ciba Specialty Chemicals Corporation,N.A.of EastLansing,Michigan生产的“Cibageigy AV118”(CIBA)粘合剂来完成。
输出层40和45沿厚度方向即沿与盘40和45的主面垂直的方向被极化。一个输出层例如40的极化方向最好与其他输出层例如45的极化方向相反。输出层40和45最好沿厚度朝向如由箭头43和44表示的中央输出端子47的方向被极化。或者层40和45可以沿厚度远离中央输出端子47的方向极化。
在PT的优选实施例中,输入部分31和33的每一个分别包含一对两个压电陶瓷输入层50和55以及60和65。PT1的第一输入部分31包含通过输入端子51分离的压电陶瓷的两个输入层50和55。两个输入层50和55的每一个最好包含在其上有电沉积电极(银和/或镍)的PZT材料的圆盘。更具体地说,第一输入层50带有沉积在它的正对面主面上的电极153和154,同时第二输出层55带有沉积在它的正对面主面上的电极151和152。将两个输入层50和55的每一个沿它们的主面的其中一个连接到中央输入端子51。中央输入端子51最好包含铜箔。将输入部分31的一个主面即输入层50的剩余面连接到输出部分32的外侧输入端子48。在输入部分31的剩余主面即输入层55的剩余面上,将外侧输入端子52连接,其最好也包含铜箔。输入层50和55与输入端子48,51和52的粘接最好使用CIBA粘合剂来完成。
第一输入部分31的输入层50和55沿厚度方向即沿与盘的主面垂直的方向被极化。一个输入层例如50的极化方向最好与其他的输入层例如55的极化方向相反。输入层50和55最好沿朝向如由箭头53和54表示的第一输入部分31的中央输入端子51的方向被极化。或者层50和55可以沿厚度远离中央输入端子51的方向极化。
PT1的第二输入部分33也包含由输入端子61分离的压电陶瓷的两个输入层60和65。两个输入层60和65的每一个最好包含在其上电沉积有电极(银和/或镍)的PZT材料的圆盘。更具体地说,第一输入层60带有沉积在它的正对面主面上的电极161和162,同时第二输出层65带有沉积在它的正对面主面上的电极163和164。将第二输入部分33的两个输入层60和65的每一个沿它们的主面的其中一个连接到中央输入端子61。中央输入端子61最好包含铜箔。将输入部分33的一个主面即输入层60的剩余面连接到输出部分32的外侧输入端子46。在输出部分33的剩余主面即输入层65的剩余面上,将外侧输入端子62连接,其最好也包含铜箔。输入层60和65与输入端子46,61和62的粘接最好使用CIBA粘合剂来完成。
输入层60和65沿厚度方向即沿与盘的主面垂直的方向被极化。一个输入层例如60的极化方向最好与其他的输入层例如65的极化方向相反。输入层60和65最好沿朝向如由箭头63和64表示的第一输入部分33的中央电极61的方向被极化。或者,层60和65可以沿厚度向离开中央输入端子61的方向极化。
图7是显示包含电极和粘附层的PT的所有层的PT1的剖面图。输出部分32包含第一输出陶瓷层45,在它的主面的每一个上分别具有电极141和142和覆盖电极141和142的每一个的粘附层101和102。输出部分32还包含第二输出陶瓷层40,在它的主面的每一个上分别具有电极143和144和覆盖电极143和144的每一个的粘附层103和104。利用粘附层102和103将输出层40和45的每一个分别连接到中央输出端子47。输出部分32还包含连接到输出陶瓷层40和45的剩余面的输出端子46和48。利用粘附层101将第一公共输出端子46连接到第一输出陶瓷层45,同时利用粘附层104将第二公共输出端子48连接到第二输出陶瓷层40。将输出端子46和48称作是“公共的”,因为在本实施例中,它们被粘接或连接到输入部分31和33并与其共用。
PT1还包含第一输入部分31。第一输入部分31包含第一输入陶瓷层55,在它的主面的每一个上分别具有电极151和152和覆盖电极151和152的每一个的粘附层111和112。第一输入部分31还包含第二输入陶瓷层50,在它的主面的每一个上分别具有电极153和154和覆盖电极153和154的每一个的粘附层113和114。利用粘附层112和113将输入层50和55的每一个连接到中央端子51。利用粘附层114将第一输入部分31的第二输入层50连接到第一公共端子46。第一输入部分31还包含利用粘附层111连接到第一输入陶瓷层55的剩余面的外侧端子52。
PT1还包含第二输入部分33。第二输入部分33包含第一输入陶瓷层60在它的主面的每一个上分别具有电极161和162和覆盖电极161和162的每一个的粘附层121和122。第二输入部分33还包含第二输入陶瓷层65在它的主面的每一个上分别具有电极163和164和覆盖电极163和164的每一个的粘附层123和124。利用粘附层122和123将输入层60和65的每一个连接到中央输出端子61。利用粘附层121将第二输入部分33的第一输入层60连接到第二公共端子48。第二输入部分33还包含具有粘附层124连接到第二输入陶瓷层65的剩余面的外侧端子62。
输入层50和55以及60和65最好基本上具有和输出层40和45一样的周长。也可以根据装置要求的谐振频率沿极化的方向选择比输出层40和45薄或厚或者甚至选择与输出层40和45一样厚度的输入层50和55以及60和65。或者输入和输出层40、45、50和55以及60和65可以全部是不同的周长,但最好它们都具有相同的周长。最好输出层40和45基本上厚度相同并且输入层50和55以及60和65基本上具有相同的厚度。这既能使谐振的特性更加一致和可预知又能使装置的外形减至最小。但是输入层50和55以及60和65以及输出层40和45在厚度上不必是完全相等。这是因为驱动PT的频率与PT1的总厚度(包含所有的陶瓷层40和45,50和55,以及60和65;电极141-144,151-154和161-164;端子46,47,51,52,61和62以及粘附层101,102,103,104,111,112,113,114,121,122,123和124)相对应,而不是像传统的TMPT中的与各个层的厚度相对应。所以,传统的TMPT的小的公差(厚度与半波长相等)不适用于本发明,并且为了增强PT1的异向性,各层可以具有不匹配的厚度。
在每一个输入部分31和33上的两个陶瓷层的使用增加了PT1的质量和体积。PT1的质量的增加以及长度的增加降低了PT1的谐振频率而提高了增益和功率强度。增益的增加是由于增加的质量增加了装置的动量。增益的增大使功率体积比增加。此外,可以选择层45和45,50和55以及60和65的长度以确保PT的工作期间,最大的压力和张力被集中在输入部分31和33以及输出部分32之间的连接线56和58,结果形成增高的增益。
以PT1的大小作为示例,装置的输出部分32包含两个PZT盘40和45,其每一个具有21毫米的直径(10.2毫米半径)和2毫米的厚度。输入部分31和33其每一个包含一对具有21毫米的直径和2毫米的厚度的PZT盘50和55以及60和65。将铜箔(3密耳)46,47,48,51,52,61和62连接到包含输入部分31和33以及输出部分32的盘40,45,50和55,60和65的每一个主面。该PT1具有大约1∶20的增益和80瓦的输出功率。为PT1所选的大小仅是对说明该PT1其可能的外形,并且其他的形状和厚度都是可能的和合乎需要的。例如,复合PT1不一定是圆柱形的,并且在高度或直径上不一定如此厚。应当理解由于PT1沿厚度方向被极化,以致圆柱的剖面(切片)可以穿过它的高度截面并且复合PT将根据相同的原理工作。
参照图6,以矩形板而不是圆柱形状构形的复合PTZ被说明。然而图6的PT2的部分与图5中PT1一样。在装置中央的输出部分32包含连接到中央端子47的压电陶瓷材料(最好是PZT)的两个层40和45和两个外侧端子46和48。输入部分31和33连到输出部分32的两个外侧端子46和48,输入部分31和33的每一个分别包含一对输入陶瓷层50和55、以及60和65。
输出部分32的陶瓷层40和45都沿厚度方向被极化,并且最好朝如由箭头表示的中央端子47极化。输入部分31的陶瓷层50和55以及输入部分33的陶瓷层60和65也都沿厚度方向被极化,并且最好将它们朝向如分别地由箭头53和54以及箭头63和64表示的各自的输入部分31和33的中央端子51和61极化。
图6描述了矩形板形状构形的本发明的实施例,以及为了获得明显的电压增益电引线连接的优选实施例。在本发明的优选实施例中,输出部分32的外侧端子46和48都接地连接,并且中央端子47是高电压输出连接。同样,第一输出部分31的中央端子51是连接到输入电压源的输入端子,同时第二输入部分33的中央端子是连接到输入电压源输入端子,用于输入各自的输入部分31和33的层50和55两端以及60和65两端的电势。将第一和第二输入部分31和33的外侧端子52和62同样与地连接。这提供了一种PT2,其中所有的高电压端子47,51和61在PTZ内部,并且外部端子52和62接地,所以降低了由于不希望有的短路或放电产生的势能。
图6描述了矩形板形状构形的本发明的实施例,以及为了获得明显的电压增益电引线连接的优选实施例。在本发明的优选实施例中,输出部分32的外侧端子46和48都接地连接,并且中央端子47是高电压输出连接。同样,第一输出部分31的中央端子51是连接到输入电压源的输入端子,同时第二输入部分33的中央端子是连接到输入电压源输入端子,用于输入各自的输入部分31和33的层50和55两端以及60和65两端的电势。将第一和第二输入部分31和33的外侧端子52和62同样与地连接。这提供了一种PT2,其中所有的高电压端子47,51和61在PTZ内部,并且外部端子52和62接地,所以降低了由于不希望有的短路或放电产生的势能。
参照图8和图9,以圆柱形状构形的另一个复合PT3也被说明。然而其在输入层和输出层以及附加的输入端子之间具有施加的绝缘层。但是图8的PT3的剩余部分和图5中的PT1一样。除两个绝缘层以外,PT包含具有第一厚度T4的第一输入部分231;具有第二厚度T5的第二输入部分233和具有第三厚度T6的输出部分232。装置中央的输出部分232包含连接到中央端子247的压电陶瓷材料(最好是PZT)的两个层240和245和两个外侧输出端子246和248。将绝缘层70和75连接到输出部分232的两个外侧端子246和248。将包含连接到中央端子252和两个外侧输入端子251和253的一对输入陶瓷层250和255压电陶瓷材料(最好是PZT)的输入部分231连接到第一绝缘层70。将包含连接到中央端子262和两个外侧输入端子261和263的一对输入陶瓷层260和265压电陶瓷材料(最好是PZT)的输入部分232连接到第二绝缘层75。
图9显示了包含陶瓷层和电极、绝缘层、端子和粘附层的PT3的所有层的具体结构。输出部分232包含在相对主面上具有电极241和242的第一输出层245以及在相对主面上具有电极243和244的第二输出层240。电极241、242、243、和244最好包含银或镍,其被电沉积在其上并基本上覆盖输出层240和245的各面的每一个。使用粘附层203和204将第一和第二输出层245和240连接到中央输出端子247。利用粘附层202将第一输出层245的剩余面连接到另一个输出端子246,并且也利用粘附层205将第二输出层240的剩余面连接到输出端子248。在PT3的输出部分232中所有的粘附层202、203、204和205最好包含CIBA粘合剂。
第一输入部分231包含在相对主面上具有电极251和252的第一输入层255以及在相对主面上具有电极253和254的第二输入层250。电极251、252、253、和254最好包含银或镍,其被电沉积在其上并基本上覆盖输入层250和255的各面的每一个。使用粘附层212和213将第一和第二输出层255和250连接到中央输入端子257。利用粘附层211将第一输入层255的剩余面连接到另一个输入端子246,并且也利用粘附层214将第二输入层250的剩余面连接到输入端子258。在PT3的第一输入部分231中所有的粘附层211、212、213和214最好包含CIBA粘合剂。
第二输入部分233包含在相对主面上具有电极261和262的第一输入层260以及在相对主面上具有电极263和264的第二输入层265。电极261、262、263、和264最好包含银或镍,其被电沉积在其上并基本上覆盖输入层260和265的面的每一个。使用粘附层222和223将第一和第二输出层265和260连接到中央输入端子267。利用粘附层222将第一输入层260的剩余面连接到另一个输入端子266,并且也利用粘附层225将第二输入层265的剩余面连接到输入端子268。在PT3的第二输入部分233中,所有的粘附层222、223、224和225最好包含CIBA粘合剂。
PT3还包含一对在PT3的输出部分232和输出部分231和233之间连接的绝缘层70和75。分别使用粘附层201和215将第一绝缘层70在输出部分232的输出端子246和第一输入部分231的输入端子258之间连接。分别使用粘附层206和221将第二绝缘层75在输出部分232的输出端子248和第二输入部分233的输入端子266之间连接。每一个绝缘层70和75最好包含例如铝层、陶瓷层、介电层或其它刚性绝缘材料层。为了防止它们之间的电接触,绝缘层70和75最好至少延伸到它们连接到的每个端子的边缘。
将输出部分232的陶瓷层240和245都沿厚度方向极化,并且最好朝如由箭头表示的中央端子247极化。输入部分231的陶瓷层250和255和输入部分233的陶瓷层260和265也都沿厚度方向被极化,并且它们最好朝如分别由箭头253和254以及箭头263和264表示的各自的输入部分231和233的各自的中央端子251和261极化。
再参照图8在对变压器的优选电连接方案中,在输入部分231和233的中央端子257和267提供电压输入,并且在输出部分232的中央端子产生输出。尽管如分离的输入所示,最好将输入端子257和267与公共电压源相连接。并且输入部分231和233最好分别将它们的外侧端子256和258以及266和268接地。输出部分232的外侧端子246和248最好也与地相连,并且最好是底板的地而不是输入部分231和233的地。
再参照图5在操作中,将第一极化电压施加于分别与电极152和153以及162和163相连的输入端子51和61。当将该第一极化电压施加于第一输入端子51时,电势存在于中央端子51和连接到第一输入部分31的外侧端子52和48的每一个之间。该电势使第一输入部分31的输入陶瓷层50和55沿厚度方向压电收缩(即平行于层50和55的极化方向的d33模式变形)。当反相的极化电压施加于输入端子51时,电势又存在于中央端子51和连接到第一输入部分31的外侧端子52和48的每一个之间。该电势使输入陶瓷层50和55沿厚度方向压电扩张(即也平行于层50和55的极化方向的d33模式变形)。
同样,当第一极化电压施加于第二输入端子61时,电势存在于中央端子61和连接到第二输入部分33的外侧端子62和46的每一个之间。该电势使第二输入部分33的输入陶瓷层60和65沿厚度方向压电收缩(即平行于层60和65的极化方向的d33模式变形)。当反相的极化电压施加于输入端子61时,电势又存在于中央端子61和连接到第二输入部分33的外侧端子62和46之间。该电势使输入陶瓷层60和65沿厚度方向压电扩张(即平行于层60和65的极化方向的d33模式变形)。
所以,通过将交变电压以给定的频率施加于PT1的输入部分31和33,陶瓷层50和55以及60和65以施加的交变电压的频率周期地扩张和收缩(d33模式厚度振动)。d33模式是优选的振动模式,因为与d31模式振动相比它是更加有效的振动模式(罗森PT正是如此)。
由于PT1的输入部分31和33的陶瓷层50和55以及60和65扩张,输入部分31和33向外移动。相反地,由于PT1的输入部分31和33的陶瓷层50和55以及60和65收缩,输入部分31和33向内移动。当施加于输入部分31和33的陶瓷层50和55以及60和65的电压的极化被反向时,陶瓷层50和55以及60和65的扩张或收缩的方向几乎立即反向。输入部分31和33的运动的平移方向并不很快地改变,像耦合的惯性弹簧系统,在改变方向沿与包含每一个输入部分31和33的那个陶瓷层50和55以及60和65的收缩的扩张相同的方向移动之前,输入部分31和33的动量使它们又继续沿它们的原来方向移动。
由于输出部分32被稳固地连接到输入部分31和33,输入部分31和33沿它们原来的方向的继续移动致使输出部分32变形,即使陶瓷层40和45扩张或收缩。更具体地说,由于电压极化改变,输入层31和33继续向外移动并且使输出部分32的表面在连接线56和58向外移动,引起输出部分32的层40和45扩张。由于施加电压的极化再次改变,输入层31和33继续向内移动并且使输出部分32的表面在连接线56和58向内移动,引起输出部分32的输出层40和45压缩。
因此,移动和输入部分31和33方向(振动)的改变使输出部分32的层40和45沿厚度方向机械地压缩或变形(由于惯性),以或接近施加到输入部分31和33的电压的驱动频率振动。所以输入部分31和33的d33模式厚度振动引起在输出部分32中g33模式厚度振动。输出部分32的g33振动(变形)在电极141和142以及143和144的两端压电产生交变电压,并因此分别经过端子47和48以及47和46连接到输出部分32的陶瓷层40和45。
再参照图8在绝缘的PT3中,将第一极化电压施加于分别与电极252和253以及262和263相连的输入端子257和267。当将该第一极化电压施加于第一输入端子257时,电势存在于中央端子257和连接到第一输入部分231的外侧端子256和258的每一个之间。该电势使第一输入部分231的输入陶瓷层250和255沿厚度方向压电收缩(即平行于层250和255的极化方向的d33模式变形)。当反相的极化电压施加于输入端子257时,电势又存在于中央端子257和连接到第一输入部分231的外侧端子256和258的每一个之间。该电势使输入陶瓷层250和255沿厚度方向压电扩张(即也是平行于层250和255的极化方向的d33模式变形)。
同样,当第一极化电压施加于第二输入端子267时,电势存在于中央端子267和连接到第二输入部分233的外侧端子266和268的每一个之间。该电势使第二输入部分233的输入陶瓷层260和265沿厚度方向压电收缩(即平行于层260和265的极化方向的d33模式变形)。当反相的极化电压施加于输入端子267时,电势又存在于中央端子267和连接到第二输入部分233的外侧端子266和268之间。该电势使输入陶瓷层260和265沿厚度方向压电扩张(即平行于层260和265的极化方向的d33模式变形)。
所以,通过将交变电压以给定的频率施加于PT3的输入部分231和233,陶瓷层250和255以及260和265以施加的交变电压的频率周期地扩张和收缩(d33模式厚度振动)。由于PT3的输入部分231和233的陶瓷层250和255以及260和265扩张,输入部分231和233向外移动。相反地,由于PT3的输入部分231的陶瓷层250和255以及260和265收缩,输入部分231和233向内移动。由于在图5和图7的PT的工作中,当施加于输入部分231和233的陶瓷层250和255以及260和265的电压的极化被反向时,陶瓷层250和255以及260和265的扩张或收缩的方向几乎立即反向。但是,输入部分231和233的运动的平移方向并不很快地改变,像耦合的惯性弹簧系统,在改变方向沿与构成每一个输入部分231和233的陶瓷层250和255以及260和265的收缩或扩张相同的方向移动之前,输入部分231和233的动量使它们又继续沿它们的原来方向移动。
由于输出部分232间接地通过各自的绝缘层70和75被稳固地连接到输入部分231和233,输入部分231和233沿它们原来的方向的继续移动致使输出部分232变形,即使陶瓷层240和245扩张或收缩。更具体地说,由于电压极化改变,输入层231和233以及绝缘层70和75继续向外移动并且使输出部分232的表面在连接线270和275向外移动,引起输出部分232的层240和245扩张。由于施加电压的极化再次改变,输入层231和233以及绝缘层70和75继续向内移动并且使输出部分232的表面在连接线270和275向内移动,引起输出部分232的输出层240和245压缩。
因此,输入部分231和233移动和方向(振动)的改变使输出部分232的层240和245机械地沿厚度方向压缩或变形(由于惯性),以或接近施加到输入部分231和233的电压的驱动频率振动。所以输入部分231和233的d33模式厚度振动引起在输出部分232中g33模式厚度振动。输出部分232的g33振动(变形)在电极241和242以及243和244两端压电产生交变电压,并因此分别经过端子247和248以及247和246连接到输出部分232的陶瓷层240和245。
在每一个输入部分231和233上的两个陶瓷层的使用以及绝缘层70和75的使用增加了PT3的质量和体积。PT3的质量的增加以及长度的增加进一步降低了PT3的谐振频率而提高了增益和功率强度。增益的增高实际是由于增加的质量增加了装置的动量。增益的增高导致功率体积比增高。此外,可以选择层245和245,250和255,260和265以及70和75的长度以确保PT1的工作期间,最大的压力和张力被集中在输入部分231和233以及输出部分232之间的连接线270和275,结果形成增高的增益。
选择施加于输入部分31和33或213和233的频率以与PT1、PT2或PT3的固有谐振频率相对应,并且装置输出中的较大变形和较高增益被实现。更具体地说,在本PT1、PT2和PT3中,选择施加电压的频率以与沿纵向的即沿着PT1、PT2和PT3的整个长度而不是沿半径方向的PT的谐振频率相对应。
本发明的PT1、PT2和PT3使用与PT的纵向尺寸相对应的谐振频率,即尺寸与所有陶瓷、粘合剂和电极层(以及在PT3中,绝缘层)的厚度总和相对应。纵向方向的谐振频率比沿PT的宽度或半径的谐振频率低。PT1、PT2和PT3可以利用使用纵向谐振频率,因为该方向上的复合结构的异向性。更具体地说,PT1、PT2和PT3具有沿振动轴的异向性,因为在纵向方向上即具有确定谐振模式的最大长度的方向各自层的材料特性之间有区别。通过具有改变端子、粘合剂、电极和陶瓷层(以及绝缘层)之间的结构,复合结构在与振动轴平行的纵向方向具有弹性常数。该结构使输入部分31和33以及输出部分32能用作具有沿PT1的纵向方向的复合弹性常数的耦合谐波振荡器。所以在两个输入部分31和33,或231和233之间具有输出部分32或232的本PT的结构以及在纵向方向PT的异向性使本装置能利用纵向谐振频率工作。
本PT1、PT2和PT3的谐振与那个其他的现有PT不同。但是沿厚度方向厚度模式PT振动,它们的谐振频率由PT的各个层的厚度控制而不是由整个PT的长度控制。典型的厚度模式PT不与本PT一样长(即有较少和较薄的层),因为用与本装置一样多的层或一样厚构造的厚度模式PT不一定是有效的。此外,由于效能原因,在与那些装置的总厚度相对应的应用频率下典型的厚度模式PT不能工作。最后,传统的TMPT不具有本PT的增益功率,例如图5的PT1具有大约20-80的增益和大于100瓦的功率。
做为多层复合装置的本PT的结构也消除了存在于典型的厚度模式装置中的分开各个层的端子处的节(node)的产生。典型的厚度模式装置当每一层以与每一层的厚度相对应的谐振频率振动时在每一个电极具有节(无任何振动)。由于本PT1、PT2和PT3的合成和异向性,节不在每一个电极产生并且通过邻近的电极、粘合剂、端子和绝缘层将能量从一个陶瓷层传递到另一个。所以在PT的层之间和通过PT的各层,振动能量的传递使PT的谐振频率能与PT的总长度相对应。
PT1、PT2和PT3的谐振频率不仅取决于装置的长度(相对于应用频率的波长),而且取决于装置的质量。PT的长度和质量的增大进一步降低了装置的谐振频率。也可以选择输出部分31和33或231和233的长度和质量,以增加输入部分31和33,或231和233以及输出部分32或232的动量,同时将压力和张力集中在输入部分和输出部分之间的连接线56和58,或270和275。这些压力和张力的增加也增高在PT中实现的增益。该设计通过使其能以减少通过装置产生热量的较低频率工作也降低了PT中的消耗损失(热可以增加介质损耗)。对于PT较大的质量也提供较大的动量,并因此既产生较高的电压增益又增加功率处理容量。
在图8的PT3中另一个优点是,由于机械能量是通过厚度振动在不同的层之间被传递,所以绝缘层可以被任意地加厚,提供比现有装置强的绝缘。换句话说,由于在绝缘层中的切应力,因为这些层传递各层的半径变形的能力有限,所以在径向的装置中,绝缘层的最大厚度是有限的。因为在本PT3中传递能量,不出现由于切应力的衰减,并且实际上所有的厚度振动从输入部分231和233被传递到输出部分232。
尽管上述描述包含了许多特性,但它们不应被理解为对本发明的限制,而是应理解为一个优选实施例的示例。许多其他的变化是可能的,例如在本发明的优选实施例中,该陶瓷层最好由PZT陶瓷材料构成,但在它的位置可以使用其他的电动材料;该陶瓷层可以是压电、铁电或其他的电动部件;该输入部分的每一个最好包含两个陶瓷层,但该输入部分可以包含和一个陶瓷层或可以具有多层结构;该PT的形状不必是圆柱的或板状的,并且可以是许多其他的形状或构造;该输入和输出陶瓷层的极化方向不必是朝向中央电极,而可以是远离中央电极的方向;可以使用其他的粘合剂例如酰亚胺、树脂、环氧树脂等等将该陶瓷层机械地连接到端子或电极或者例如通过烘制(cofiring)该陶瓷可以将其化学连接到金属喷镀层;该电极可以包含其他的金属或导电材料并且可以包含粘合剂,例如导电环氧树脂层;该高电压电极对PT不一定是内部的并且不必是每层的中央电极,而可以包含任何层的外部电极。
因此,不应该通过说明的实施例,而且应通过所附的权利要求书以及它们的法律等同确定本发明的范围。
权利要求
1.一种压电变压器包含第一输入部分,其具有第一厚度,所述的第一输入部分还包含第一输入陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与垂直于所述的第一和第二相对主面的轴平行的方向被极化;以及第一输入端子,其与所述第一输入陶瓷层的所述第一主面相邻;第二输入部分,其具有第二厚度,所述的第二输入部分还包含第二输入陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与所述的轴平行的方向被极化;以及第二输入端子,其与所述第二输入陶瓷层的所述第一主面相邻;以及输出部分,其具有第三厚度,所述的输出部分还包含第一输出陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与所述的轴平行的方向被极化;第二输出陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与所述的轴平行的方向被极化;输出端子,其与所述第一输出陶瓷层的所述第一主面和所述第二输出陶瓷层的所述第一面相邻;第一公共端子,其与所述第一输出陶瓷层的所述第二主面和所述第一输入陶瓷层的所述第二主面相邻;以及第二公共端子,其与所述第二输出陶瓷层的所述第二主面和所述第二输入陶瓷层的所述第二主面相邻;其中,第一振荡电压施加到所述第一输入端子和所述第一公共端子两端,所述第一输入陶瓷层交替地沿与所述的轴平行的所述方向扩张和收缩;以及其中,第二振荡电压施加到所述第二输入端子和所述第二公共端子两端;所述第二输入陶瓷层交替地沿与所述轴平行的所述方向扩张和收缩;以及其中,所述第一和第二输入陶瓷层沿与所述轴平行的所述方向的所述扩张和收缩致使与所述轴平行的所述第一和第二输出陶瓷层的第一振荡机械变形;以及其中,所述第一和第二输出陶瓷层的所述第一振荡机械变形在所述第一和第二输出陶瓷层的每一个的所述第一和第二面之间压电生成第三振荡电压。
2.如权利要求1的压电变压器,其中所述的第一输入部分还包含第三输入陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与所述轴平行的方向被极化;所述第三输入陶瓷层的所述第一主面与所述第一输入端子相邻;以及第三输入端子;所述第三输入陶瓷层的所述第二主面与所述第三输入端子相邻;其中,所述第一振荡电压施加到所述第一输入端子和所述第三输入端子两端,所述第三输入陶瓷层交替地沿与所述轴平行的所述方向扩张和收缩。
3.如权利要求2的压电变压器,其中所述的第二输入部分还包含第四输入陶瓷层,其具有第一和第二相对的主面并且沿与所述轴平行的方向被极化;所述第四输入陶瓷层的所述第一主面与所述第二输入端子相邻;以及第四输入端子;所述第四输入陶瓷层的所述第二主面与所述第四输入端子相邻;其中,所述第二振荡电压施加到所述第二输入端子和所述第四输入端子两端,所述第四输入陶瓷层交替地沿与所述轴平行的所述方向扩张和收缩。
4.如权利要求3的压电变压器,其中利用粘合剂将所述第一输入部分连接到所述输出部分;以及其中利用粘合剂将所述第二输入部分连接到所述输出部分。
5.如权利要求4的压电变压器,其中所述第一公共端子还包含第一输入陶瓷层的所述第一面和第一输出陶瓷层的所述第一面之间的第一连线;以及其中在所述第一输出陶瓷层中所述的机械变形被集中在所述的第一连线。
6.如权利要求5的压电变压器,其中所述的第二公共端子还包含第二输入陶瓷层的所述第一面和第二输出陶瓷层的所述第一面之间的第二连线;以及其中在所述第二输出陶瓷层中,所述的机械变形被集中在所述的第二连线。
7.如权利要求6的压电变压器,还包含将用第一频率的振荡电压施加到所述第一或第二输入陶瓷层两端的装置。
8.如权利要求7的压电变压器,其中,所述的第一频率是一个与所述的轴平行振荡的谐振频率;以及其中所述第一、第二和第三厚度的总和等于所述谐振频率的半波长的整倍数。
9.如权利要求1的压电变压器,其中,所述的第一输出陶瓷层和所述的第二输出陶瓷层沿与所述轴平行的相反的方向被极化。
10.如权利要求3的压电变压器,其中,所述的第一输入陶瓷层和所述的第三输入陶瓷层沿与所述轴平行的相反的方向被极化。
11.如权利要求3的压电变压器,其中,所述的第二输入陶瓷层和所述的第四输入陶瓷层沿与所述轴平行的相反的方向被极化。
12.如权利要求7的压电变压器,其中所述的第一厚度不等于所述谐振频率的半波长的整倍数;以及其中所述的第二厚度不等于所述谐振频率的半波长的整倍数;以及其中所述的第三厚度不等于所述谐振频率的半波长的整倍数。
13.压电变压器包含第一输入部分,其具有第一厚度,所述的第一输入部分还包含第一输入陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且与沿垂直于所述第一和第二相对主面的轴平行的方向被极化;第一输入端子,其与所述第一输入陶瓷层的所述第一主面相邻;以及第二输入端子,其与所述第一输入陶瓷层的所述第二主面相邻;第二输入部分,其具有第二厚度,所述的第二输入部分还包含第二输入陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与所述轴平行的方向被极化;第三输入端子,其与所述第二输入陶瓷层的所述第一主面相邻;以及第四输入端子,其与所述第二输入陶瓷层的所述第二主面相邻;第一绝缘层,其具有第一和第二相对主面;所述第一绝缘层的所述第一主面与所述的第二输入端子相邻;第二绝缘层,其具有第一和第二相对主面;所述第二绝缘层的所述第一主面与所述的第四输入端子相邻;输出部分,其具有第三厚度,所述的输出部分还包含第一输出陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与所述轴平行的方向被极化;第二输出陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与所述轴平行的方向被极化;第一输出端子,其与所述第一输出陶瓷层的所述第一主面和所述第二输出陶瓷层的所述第一面相邻;第二输出端子,其与所述第一输出陶瓷层的所述第二主面和所述第一绝缘层的所述第二主面相邻;以及第三输出端子,其与所述第二输出陶瓷层的所述第二主面和所述第二绝缘层的所述第二主面相邻;其中第一振荡电压施加到所述的第一和第二输入端子两端,所述的第一输入陶瓷层交替地沿与所述轴平行的所述方向扩张和收缩;以及其中第二振荡电压施加到所述的第三和第四输入端子两端,所述的第二输入陶瓷层交替地沿与所述轴平行的所述方向扩张和收缩;以及其中所述的第一和第二输入陶瓷层沿与所述轴平行的所述方向的所述扩张和收缩致使与所述轴平行的所述第一和第二输出陶瓷层的第一振荡机械变形;以及其中所述的第一和第二输出陶瓷层的所述第一振荡机械变形在所述第一和第二输出陶瓷层的每一个的所述第一和第二面之间压电生成第三振荡电压。
14.如权利要求13的压电变压器,其中所述的第一输入部分还包含第三输入陶瓷层,其具有第一和第二相对电极的主面并且沿与所述轴平行的方向被极化;所述第三输入陶瓷层的所述第一主面与所述第一输入端子相邻;以及第五输入端子;所述第三输入陶瓷层的所述第二主面与所述第五输入端子相邻;其中所述第一振荡电压施加到所述第一输入端子和所述第五输入端子两端,所述第三输入陶瓷层交替地沿与所述轴平行的所述方向扩张和收缩;
15.如权利要求14的压电变压器,其中所述的第二输入部分还包含第四输入陶瓷层,其具有第一和第二相对主面并且沿与所述轴平行的方向被极化;所述第四输入陶瓷层的所述第一主面与所述第三输入端子相邻;以及第六输入端子;所述第四输入陶瓷层的所述第二主面与所述第六输入端子相邻;其中所述第二振荡电压施加到所述第三输入端子和所述第六输入端子两端,所述的第四输入陶瓷层交替地沿与所述轴平行的所述方向扩张和收缩。
全文摘要
提供一种多层压电变压器(1),其能够实现高机械动量并因此能够实现高能量传递。压电变压器(1)具有布置成一个复合结构的多个层(43,44,45,53,54,63,64)。压电变压器(1)的最外部分(31,33)包含输入部分,其连接到压电变压器(1)的中央输出部分(32)。压电变压器(1)的结构和异向性使得其能以与其总厚度相对应的压电变压器(1)的纵向谐振频率被驱动,这增加了压电变压器(1)可实现的增益和功率强度。
文档编号H01L41/107GK1418380SQ01806650
公开日2003年5月14日 申请日期2001年12月17日 优先权日2000年12月15日
发明者克拉克·戴维斯·博伊德 申请人:克拉克·戴维斯·博伊德

【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

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