CN104851969A - 压电陶瓷电感器和包括该压电陶瓷电感器的集成电感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷电感器和包括该压电陶瓷电感器的集成电感器，其中一种压电陶瓷电感器包括至少两片层叠设置的压电陶瓷片；相邻两片所述压电陶瓷片的极化方向相反；最顶层压电陶瓷片的上端面上、最底层压电陶瓷片的下端面上和相邻两片压电陶瓷片之间均设有电极层，每个所述电极层上均设有电极引出线；奇数层电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线；偶数层电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线。本发明的压电陶瓷电感器具有多层压电陶瓷片的结构，具有体积小、成本低、易集成的优点。

Description

压电陶瓷电感器和包括该压电陶瓷电感器的集成电感器

技术领域

本发明涉及压电器件技术领域，具体地说涉及一种压电陶瓷电感器和包括该压电陶瓷电感器的集成电感器。

背景技术

电感器是专门用在电路里实现电感的电路元件，其能够把电能转化为磁能而存储起来。现有的电感器大多为电磁式电感器，其是由电导材料盘绕磁芯制成，典型的如铜线，也可把磁芯去掉或者用铁磁性材料代替。电感器种类繁多，形状各异，空芯电感器有：单层平绕空芯电感线圈、多层空芯电感线圈、间绕空芯电感线圈、脱胎空芯线圈等；其它形式的电感器有：蜂房式电感线圈、带磁芯电感线圈、磁罐电感线圈、高频阻流圈、低频阻流圈、固定电感器等。但是，电磁式电感器体积大、制作工艺复杂、不便于集成。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中电磁式电感器体积大、制作工艺复杂、不便于集成的缺点，提出一种体积小、易集成的压电陶瓷电感器和包括该压电陶瓷电感器的集成电感器，其还具有成本低、易生产的优点。

本发明的一种压电陶瓷电感器，包括至少两片层叠设置的压电陶瓷片；相邻两片所述压电陶瓷片的极化方向相反；

最顶层压电陶瓷片的上端面上、最底层压电陶瓷片的下端面上和相邻两片压电陶瓷片之间均设有电极层，每个所述电极层上均设有电极引出线；

奇数层电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线；偶数层电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线。

优选地，每片所述压电陶瓷片的厚度值均相等、均不相等或部分相等。

优选地，所述压电陶瓷片为圆片型、矩形片型、环形片型、三角形片型或梯形片型。

本发明的另一种压电陶瓷电感器，包括至少两片层叠设置的压电陶瓷片；每片所述压电陶瓷片的极化方向均相同；

每片所述压电陶瓷片的上端面上均设有上电极层，下端面上均设有下电极层；每个所述上电极层和下电极层上均设有电极引出线；相邻的下电极层与上电极层之间设有绝缘层；

每个上电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线；每个下电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线。

优选地，每片所述压电陶瓷片的厚度值均相等、均不相等或部分相等。

优选地，所述压电陶瓷片为圆片型、矩形片型、环形片型、三角形片型或梯形片型。

本发明的又一种压电陶瓷电感器，包括至少两片层叠设置的压电陶瓷片；相邻两片所述压电陶瓷片的极化方向相反；

每片所述压电陶瓷片的上端面上均设有上电极层，下端面上均设有下电极层；每个所述上电极层和下电极层上均设有电极引出线；相邻的下电极层与上电极层之间设有绝缘层；

奇数层压电陶瓷片的上电极层上的电极引出线和偶数层压电陶瓷片的下电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线；奇数层压电陶瓷片的下电极层上的电极引出线和偶数层压电陶瓷片的上电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线。

优选地，每片所述压电陶瓷片的厚度值均相等、均不相等或部分相等。

优选地，所述压电陶瓷片为圆片型、矩形片型、环形片型、三角形片型或梯形片型。

本发明的一种集成电感器，包括所述一种压电陶瓷电感器、所述另一种压电陶瓷电感器和所述又一种压电陶瓷电感器中的至少两个所述压电陶瓷电感器；相邻两个所述压电陶瓷电感器之间设有绝缘层。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明中通过多层压电陶瓷片叠加制成的压电陶瓷电感器，利用压电陶瓷材料在谐振状态可以从容性状态跳到感性状态再跳回到容性状态的过程中的感性状态的区域制备得到的电感器，具有体积小、成本低、易生产、易集成的特点，相比于电磁式电感器更加可以满足集成电路对电感集成的需求，且压电陶瓷电感器具有重量轻、不用铜铁材料、不怕受潮、不会燃烧、不受电磁干扰、能量密度大等优点，还可设计出具有很高Q值的电感器，尤其可实现高频电感器的微型化、片形化，以及高绝缘强度。

本发明中通过每片压电陶瓷片的极化方向以相同方向设置，使得相当于将每片压电陶瓷片进行串联连接，从而有利于电感器的散热，提高了电感器的输出功率。

本发明中在相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反设置的情况下，通过在每片压电陶瓷片的上、下端面上分别设置上、下电极层，以及在相邻的下电极层与上电极层之间设有绝缘层的结构，有利于实现电感多输出端设计。

本发明中通过在一个集成电感器中包括多个压电陶瓷电感器，可引出至少三个电极引出线，实现了多个压电陶瓷电感器的集成化，有利于电感器电感值和功率灵活设计，实现制作多个输出的集成电感器，满足电子电路对多输出电感的需求。

本发明中通过设计压电陶瓷的尺寸、层数、片型、极化方向排布等的不同组合形式，获得了各种不同的振动模式，能够设计出工作在不同频率段的电感器和实现高的功率输出，能够更好的满足现有电子电路对无线圈电感器的需求。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例1的压电陶瓷电感器的侧视图示意图；

图2是本发明实施例1的压电陶瓷电感器的俯视图示意图；

图3是本发明实施例1的压电陶瓷电感器的30kHz到150kHz有限元仿真导纳和导纳相角图；

图4是本发明实施例2的压电陶瓷电感器的侧视图示意图；

图5是本发明实施例3的压电陶瓷电感器的结构示意图；

图6是本发明实施例3的压电陶瓷电感器的俯视图示意图；

图7是本发明实施例4的压电陶瓷电感器的俯视图示意图；

图8是本发明实施例5的压电陶瓷电感器的结构示意图；

图9是本发明实施例6的压电陶瓷电感器的侧视图示意图；

图10是本发明实施例7的集成电感器的侧视图示意图。

具体实施方式

下面提供本发明的一种压电陶瓷电感器的具体实施方式。

实施例1

图1示出了实施例1的压电陶瓷电感器的侧视图示意图，如图1所示，本实施例的一种压电陶瓷电感器1包括四片层叠设置的厚度相同的压电陶瓷片11，其厚度均为H，根据实际需求设计时厚度也可以均不同或部分相同；相邻两片所述压电陶瓷片11的极化方向相反。

最顶层压电陶瓷片11的上端面上、最底层压电陶瓷片11的下端面上和相邻两片压电陶瓷片11之间均设有电极层12，每个所述电极层12上均设有电极引出线。

奇数层电极层12上的电极引出线相连，即第一、三、五层电极层12上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线13；偶数层电极层12上的电极引出线相连，即第二、四层电极层12上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线14。

各电极层和压电陶瓷片层之间均可通过粘结或者煅烧交替叠积制作。

如图2所示，本实施例中的压电陶瓷片为矩形片型，每片压电陶瓷片11的长度为L，宽度为W，该压电陶瓷片11的长度L、宽度W以及前文中所提及的厚度H均可根据所需设计的特定频率段的电感器来设置，每片压电陶瓷片的长、宽值可以相同，也可以不同，优选地，可以取L＝30mm，W＝20mm，H＝1mm。每层电极层12的厚度一般为几个微米，优选地，可以取2-3um。当取L＝30mm，W＝20mm，H＝1mm，每层电极层12的厚度取2um时，所构成的压电陶瓷电感器的30kHz到150kHz有限元仿真导纳和导纳相角图如图3所示，该矩形片型四层压电陶瓷电感器的轮廓振型从谐振点85kHz至反谐振点92kHz，相角由-90度变化到了+90度，在此区间内该压电陶瓷电感器存在感性的状态，所以当给该压电陶瓷电感器的第一电极引出线和第二电极引出线施加85kHz-92kHz之间任一频率时，其就会以具有相应电感值的电感器进行工作，根据施加频率的不同电感器谐振时可表现为辐射振动模式和厚度振动模式。并且如图3所示，在这段感性区域，随着频率的增加电感值逐渐增加，基本呈线性，因此可以根据特定频率来线性调整电感值。根据给电感器所施加的频率和压电陶瓷片的片型的不同，上述振动模式分为长度振动模式、径向振动模式、厚度振动模式和辐射振动模式。在电感器工作时，可能表现为一种振动模式或者多种振动模式叠加的形式。

根据本实施例中的压电陶瓷电感器结构对其进行有限元仿真后，得出在矩形的几何中心点处是辐射振动模式下位移最小处(理论上应当为零)，所以在实际应用时，如果需要对该类压电陶瓷电感器进行固定封装，则可以将预紧力施加于该几何中心点处，其对整个振型影响最小，即对功率传递和功率传递效率影响最小。

本实施例中通过多层压电陶瓷片叠加制成的压电陶瓷电感器，具有体积小、易集成的特点，相比于电磁式电感器更加可以满足集成电路对电感集成的需求，且压电陶瓷电感器具有重量轻、不用铜铁材料、不怕受潮、不会燃烧、不受电磁干扰、能量密度大等优点，还可设计出具有很高Q值的电感器，尤其可实现高频电感器的微型化、片形化，以及高绝缘强度。

本领域的技术人员应当理解，压电陶瓷电感器并不限于上述采用压电陶瓷片的层数为四层，其厚度均相等，片型形状为矩形，极化方向为相反设置所构成的压电陶瓷电感器，也可采用其他层数的压电陶瓷片，例如二层、三层、五层等等，厚度不同，片型形状为其它形状，例如圆片型、环形片型等等，采用极化方向为相同方向设置，以实现不同工作频率和电感值的设计需求。

下面将具体介绍其他几种设计的压电陶瓷电感器。

实施例2

图4示出了实施例2的压电陶瓷电感器的侧视图示意图，如图4所示，本实施例的一种压电陶瓷电感器2包括四片层叠设置的厚度相同的压电陶瓷片21，其厚度均为H，根据实际需求设计时厚度也可以均不同或部分相同；每片所述压电陶瓷片21的极化方向均相同。

每片所述压电陶瓷片21的上端面上均设有上电极层22，下端面上均设有下电极层25；每个所述上电极层22和下电极层25上均设有电极引出线；相邻的下电极层25与上电极层22之间设有绝缘层26。

每个上电极层22上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线23；每个下电极层25上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线24。

各电极层和压电陶瓷片层之间均可通过粘结或者煅烧交替叠积制作，每片压电陶瓷片的片型为相同的矩形片型，根据实际需求设计时矩形的长宽也可以不同。工作时的振动模式为辐射振动模式和厚度振动模式。优选的，当所设计的矩形片型的矩形宽度相对于长度非常小时，此时的片型可以理解为长条形片型，其对应的振动模式为长度振动模式和厚度振动模式。

本实施例中通过每片压电陶瓷片的极化方向以相同方向设置，使得相当于将每片压电陶瓷片进行串联连接，从而有利于电感器的散热，提高了电感器的输出功率。

实施例3

图5示出了实施例3的压电陶瓷电感器的结构示意图，如图5所示，本实施例的一种压电陶瓷电感器3包括两片层叠设置的厚度相同的压电陶瓷片31，其厚度均为H，根据实际需求设计时厚度也可以均不同或部分相同；相邻两片所述压电陶瓷片31的极化方向相反。

第一压电陶瓷片31的上端面上、第二压电陶瓷片31的下端面上和这两片压电陶瓷片31之间均设有电极层32，每个所述电极层32上均设有电极引出线。

奇数层电极层32上的电极引出线相连，即第一、三层电极层32上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线33；偶数层电极层32上的电极引出线相连，即第二层电极层32上的电极引出线构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线34。

各电极层和压电陶瓷片层之间均可通过粘结或者煅烧交替叠积制作，每片压电陶瓷片的片型为圆片型，如图6所示，圆片的半径均相同，均为R，根据实际需求设计时，每片压电陶瓷片的半径也可以不同。工作时的振动模式为径向振动模式和厚度振动模式。

实施例4

图7示出了实施例4的压电陶瓷电感器的俯视图示意图，本实施例中除了压电陶瓷片的片型设置与实施例3中的压电陶瓷电感器不同以外，其它结构均与实施例3中压电陶瓷电感器相同。

本实施例的一种压电陶瓷电感器包括两片层叠设置的厚度相同的压电陶瓷片；相邻两片所述压电陶瓷片的极化方向相反。

第一压电陶瓷片的上端面上、第二压电陶瓷片的下端面上和这两片压电陶瓷片之间均设有电极层，每个所述电极层上均设有电极引出线。

奇数层电极层上的电极引出线相连，即第一、三层电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线；偶数层电极层上的电极引出线相连，即第二层电极层上的电极引出线构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线。

各电极层和压电陶瓷片层之间均可通过粘结或者煅烧交替叠积制作，每片压电陶瓷片的片型为环形片型，如图7所示，环形的内径半径均为R1，外径半径均为R2，根据实际需求设计时每片压电陶瓷片的内、外径也可以不同，工作时的振动模式为径向振动模式和厚度振动模式。

实施例5

图8示出了实施例5的压电陶瓷电感器的结构示意图，如图8所示，本实施例的一种压电陶瓷电感器5包括两片层叠设置的厚度不同的压电陶瓷片51，第一片压电陶瓷片51的厚度为H1，第二片压电陶瓷片51的厚度为H2，H1不等于H2；相邻两片所述压电陶瓷片51的极化方向相反。

第一片压电陶瓷片51的上端面上、第二片压电陶瓷片51的下端面上和这两片压电陶瓷片51之间均设有电极层52，每个所述电极层52上均设有电极引出线。

奇数层电极层52上的电极引出线相连，即第一、三层电极层52上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线53；偶数层电极层52上的电极引出线相连，即第二层电极层52上的电极引出线构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线54。

各电极层和压电陶瓷片层之间均可通过粘结或者煅烧交替叠积制作，每片压电陶瓷片的片型为相同的矩形片型，根据实际需求设计时矩形的长宽值也可以不同，工作时的振动模式为辐射振动模式和厚度振动模式。

实施例6

图9示出了实施例6的压电陶瓷电感器的结构示意图，如图9所示，本实施例的一种压电陶瓷电感器6，包括四片层叠设置的压电陶瓷片61，其厚度均为H，根据实际需求设计时厚度也可以均不同或部分相同；相邻两片所述压电陶瓷片61的极化方向相反；

每片所述压电陶瓷片的上端面上均设有上电极层62，下端面上均设有下电极层65；每个所述上电极层62和下电极层65上均设有电极引出线；相邻的下电极层62与上电极层65之间设有绝缘层66；

第一层压电陶瓷片61的上电极层62上的电极引出线分别和第二层压电陶瓷片61的下电极层65、第三层压电陶瓷片61的上电极层62、第四层压电陶瓷片61的下电极层65上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线63；第一层压电陶瓷片61的下电极层65和第二层压电陶瓷片61的上电极层62上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线65；第三层压电陶瓷片61的下电极层65和第四层压电陶瓷片61的上电极层62上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第三电极引出线64。

各电极层和压电陶瓷片层之间均可通过粘结或者煅烧交替叠积制作。每片压电陶瓷片的片型为相同的矩形片型，根据实际需求设计时矩形的长宽也可以不同。工作时的振动模式为辐射振动模式和厚度振动模式。

本实施例中在相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反设置的情况下，通过在每片压电陶瓷片的上、下端面上分别设置上、下电极层，以及在相邻的下电极层与上电极层之间设有绝缘层的结构，有利于实现电感多输出端设计。

实施例7

图10示出了实施例7的一种集成电感器7，如图10所示，包括由第一层和第二层压电陶瓷片71组成的第一压电陶瓷电感器，和由第三层和第四层压电陶瓷片71组成的第二压电陶瓷电感器。每层压电陶瓷片均包括上电极层72和下电极层73，第一层压电陶瓷片和第二层压电陶瓷片的极化方向相同，第三层压电陶瓷片和第四层压电陶瓷片的极化方向相反。第一压电陶瓷电感器和第二压电陶瓷电感器之间设有绝缘层74。

第一层压电陶瓷片的上电极层72上的电极引出线和第二层压电陶瓷片的上电极层72上的电极引出线相连，构成集成电感器7的第一电极引出线。第一层压电陶瓷片的下电极层73上的电极引出线和第二层压电陶瓷片的下电极层73上的电极引出线相连，构成集成电感器7的第二电极引出线。第三层压电陶瓷片的上电极层72上的电极引出线和第四层压电陶瓷片的下电极层73上的电极引出线相连，构成集成电感器7的第三电极引出线。第三层压电陶瓷片的下电极层73上的电极引出线和第四层压电陶瓷片的上电极层72上的电极引出线相连，构成集成电感器7的第四电极引出线。

各电极层和压电陶瓷片层之间均可通过粘结或者煅烧交替叠积制作。每片所述压电陶瓷片的厚度值均相等、均不相等或部分相等。所述压电陶瓷片为圆片型、矩形片型、环形片型、三角形片型或梯形片型。工作时的振动模式为长度振动模式、径向振动模式、辐射振动模式和厚度振动模式中的一种或几种。

本实施例中通过在一个集成电感器中包括多个压电陶瓷电感器，可引出至少三个电极引出线，实现了多个压电陶瓷电感器的集成化，有利于电感器电感值和功率灵活设计，实现制作多个输出的集成电感器，满足电子电路对多输出电感的需求。

通过上述实施例2-7可见，压电陶瓷电感器能够实现不同层状结构的灵活设计，通过设计压电陶瓷的层数、片型、极化方向排布等的不同组合形式，获得了各种不同的振动模式，能够设计出工作在不同频率段的电感器，所设计的压电陶瓷电感器根据振动模式主要可分为：多层长度振动模式电感器，多层径向振动模式电感器，多层厚度振动模式电感器，多层辐射振动模式电感器。根据片型形状主要可分为：多层矩形电感器(特殊的，多层长条形电感器)，多层圆形电感器，多层环形电感器等工作在振动模态的压电陶瓷电感器。根据层数可分为：二层电感器、三层电感器、四层电感器等以此类推。还可以根据叠加层厚度分为：相同尺寸厚度陶瓷叠加、不同尺寸厚度陶瓷叠加电感器。也可以根据采用的压电材料的种类不同进行划分。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷电感器，其特征在于，包括至少两片层叠设置的压电陶瓷片；相邻两片所述压电陶瓷片的极化方向相反；

最顶层压电陶瓷片的上端面上、最底层压电陶瓷片的下端面上和相邻两片压电陶瓷片之间均设有电极层，每个所述电极层上均设有电极引出线；

奇数层电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线；偶数层电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线。

2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷电感器，其特征在于，每片所述压电陶瓷片的厚度值均相等、均不相等或部分相等。

3.根据权利要求1或2所述的一种压电陶瓷电感器，其特征在于，所述压电陶瓷片为圆片型、矩形片型、环形片型、三角形片型或梯形片型。

4.一种压电陶瓷电感器，其特征在于，包括至少两片层叠设置的压电陶瓷片；每片所述压电陶瓷片的极化方向均相同；

每片所述压电陶瓷片的上端面上均设有上电极层，下端面上均设有下电极层；每个所述上电极层和下电极层上均设有电极引出线；相邻的下电极层与上电极层之间设有绝缘层；

每个上电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线；每个下电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线。

5.根据权利要求4所述的一种压电陶瓷电感器，其特征在于，每片所述压电陶瓷片的厚度值均相等、均不相等或部分相等。

6.根据权利要求4或5所述的一种压电陶瓷电感器，其特征在于，所述压电陶瓷片为圆片型、矩形片型、环形片型、三角形片型或梯形片型。

7.一种压电陶瓷电感器，其特征在于，包括至少两片层叠设置的压电陶瓷片；相邻两片所述压电陶瓷片的极化方向相反；

每片所述压电陶瓷片的上端面上均设有上电极层，下端面上均设有下电极层；每个所述上电极层和下电极层上均设有电极引出线；相邻的下电极层与上电极层之间设有绝缘层；

奇数层压电陶瓷片的上电极层上的电极引出线和偶数层压电陶瓷片的下电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第一电极引出线；奇数层压电陶瓷片的下电极层上的电极引出线和偶数层压电陶瓷片的上电极层上的电极引出线相连，构成压电陶瓷电感器的第二电极引出线。

8.根据权利要求7所述的一种压电陶瓷电感器，其特征在于，每片所述压电陶瓷片的厚度值均相等、均不相等或部分相等。

9.根据权利要求7或8所述的一种压电陶瓷电感器，其特征在于，所述压电陶瓷片为圆片型、矩形片型、环形片型、三角形片型或梯形片型。

10.一种集成电感器，其特征在于，包括权利要求1-3任一所述的压电陶瓷电感器、权利要求4-6任一所述的压电陶瓷电感器和权利要求7-9任一所述的压电陶瓷电感器中的至少两个所述压电陶瓷电感器；相邻两个所述压电陶瓷电感器之间设有绝缘层。