CN1130292A - 多层压电陶瓷变压器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种压电陶瓷变压器及其制作方法，该变压器是由发电端、驱动端和绝缘片通过粘结方法构成：驱动端由1至9片和发电端由1至30片被覆好电极并经过极化处理的压电陶瓷薄片粘结在一起，发电端由相同或不同的材料及相同或不同厚度的压电陶瓷片组成，驱动端由相同材料，相同或不同厚度的压电陶瓷片构成，上述各压电陶瓷片的电极由外部联线分别引出，本发明工艺简单，避免了由于某一单层缺陷造成整体失效，并对不同的压电材料均能方便地结合，可使用廉价电极材料降低了成本。
Description
本发明涉及一种多层压电陶瓷变压器及其制作方法，尤其涉及采用粘结法制备的多层压电陶瓷变压器及其制作方法，属于HOIF29/00类。
普通变压器和脉冲变压器都是通过磁耦合来传输信号和实现变压作用。随着电子技术发展，电子元器件向着轻、薄、短、小方向发展，各种集成电路、电阻、电容等元器件均已微型化，唯有变压器仍摆脱不了体积较大的磁芯和线圈，同时由于变压器逆程工作产生很高的反峰压和需要专门负载短路自动保护电路，很难实现微型化和片型化。
压电陶瓷变压器具有无反峰压、负载短路自动保护的优点并可实现微型化和片型化。以往的压电陶瓷变压器虽然因其摆脱了磁芯和线圈而使体积缩小，但由于采用单一烧结体，且多为横纵向振动模式，其高压和低压之间的绝缘不可靠，且其变比受限制，不能方便的变换级间关系。采用复合结构多层压电陶瓷变压器可以解决上述问题，但它采用多层迭合内设钯银内电极的方法，其缺点是成型工艺复杂、层间缺陷不易控制，不同材料难以复合，内电极材料昂贵，由于成型后极化单层的缺陷就可能造成整体的失败。
本专利的目的是针对上述不足，设计一种多层压电陶瓷变压器及其制作方法，其工艺简单，容易控制成型缺陷，不同压电材料均可方便地结合在一起，可用相对廉价的电极材料，降低了成本同时提高了成品率。
本发明的目的是这样达到的：一种多层压电陶瓷变压器，由驱动端、绝缘片和发电端通过粘结而构成，其特点：驱动端由一至九片被覆好电极并极化处理过的压电陶瓷薄片粘结在一起，发电端由一至三十片被覆好电极并极化处理过的压电陶瓷薄片粘结在一起。
所述发电端可由不同材料或不同厚度的压电陶瓷薄片粘结而成，不同材料或不同厚度的压电陶瓷片，分别构成多个输出端子，以适应不同的输出特性要求；构成不同输出端子的压电陶瓷片的电极通过外部联线分别并联引出。
所述驱动端由相同材料和相同或不同厚度的压电陶瓷片构成，各压电陶瓷片的电极由外部联线串联或并联引出。
一种多层压电陶瓷变压器的制作方法，其制作步骤如下：
(1)压电陶瓷薄片成型：将所需压电陶瓷材料通过干压法、等静压法、流延法或扎膜法成型，经烧结后再通过切割、研磨等工艺制作成所需形状、厚度的压电陶瓷片；其轴向截面可是圆形、正多边形和长方形；驱动端采用高电压下压电参数高、且损耗小的A类压电材料，其厚度为0.4--3毫米；要求输出大电流、低内阻的发电端采用高介电常数ε33和高压电常数d33的B类压电材料；当要求较高电压、匹配阻抗较高的发电端，可采用介电常数ε33较小的C类压电材料；发电端压电陶瓷厚度为0.2--1.0毫米；
(2)制备电极：将上述各类压电陶瓷片通过高温法制备银电极或采用电镀、真空镀膜的方法制备好电极，压电陶瓷片的电极位于厚度方向两端平面上；根据所用的压电材料所需要求对制备好的压电陶瓷片进行极化处理；
(3)迭片粘结：将构成驱动端和发电端的压电陶瓷片涂上粘结剂层，按相邻片极化方向相反的原则，分别粘结构成发电端和驱动端，由于所选用A、B、C三种压电陶瓷片的居里温度多在200--400℃之间，所选用的粘结剂为固化温度远低于材料的居里温度的环氧类、酚醛类、脲醛类、聚酰亚胺和丙烯酸类粘合剂，是为了避免粘结工艺中高温影响压电陶瓷材料的压电性能的损失；
(4)变压器成型：将上述粘结好的驱动端、发电端依次按驱动端、绝缘片、发电端、绝缘片排列，通过粘结剂粘结而成多层压电陶瓷变压器；
(5)电极联线：将驱动端各输入端串联或并联构成驱动端输入端，将发电端分别并联引出作为具有不同输出特性的输出端，要求外部联接的工艺温度均比压电材料的居里温度低100℃以上。
本发明的优点和积极效果是：(1)成型工艺简单，层间缺陷容易控制，避免了对比技术中成型后某一单层的缺陷造成整体的不合格；(2)本发明多层压电陶瓷变压器及其制作方法克服了对比技术中不同材料难以复合的缺点；(3)本发明克服了对比技术中压电材料必需烧结成一体而带来的材料选择上的限制，本发明可利用不同烧结温度和材料配比的压电材料使压电陶瓷变压器的性能改善；(4)由于不设内电极，本发明的积极效果是避免了对比技术复合压电变压器的多层烧结体内设造价昂贵的钯银电极的方法，不仅制作工艺简化，尤其是造价便宜。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
图1是本发明多层压电陶瓷变压器的纵向断面示意图(实施例1)。
图2是本发明多层压电陶瓷变压器的纵向断面示意图(实施例2)。
如图1所示，该多层压电陶瓷变压器的发电端、驱动端由压电陶瓷薄片、外电极、粘结层和外部联线构成。以驱动端为例，压电陶瓷片102、106上分别制备了外电极101、103、105、107；压电陶瓷片102、106在粘结前已完成极化，其极化方向如图中箭头所示，相邻压电陶瓷薄片极化方向相反。这是为了压电陶瓷片的并联使用，以适应不同的输入电压的要求。驱动端压电陶瓷片102、106为A类压电陶瓷材料，在高电压下压电参数高且损耗小，其厚度为0.4--3毫米。
发电端的构成方法与驱动端相同。而其相邻压电陶瓷片的极化方向相反的目的在于避免电荷的相互抵消，以获得有效的输出电流。
发电端由五片压电陶瓷片303、307、311、315、319构成，其中B类材料303、307、311、315其特性为提供较大电流和降低输出阻抗；C类材料319具有相对小的ε33和大的d33，其特点有利于提供较高电压，输出阻抗较高。外部联线321将压电陶瓷片303、307、311、315并联引出，构成了输出电流较大的输出端子。外部联线322将C类压电陶瓷片319引出构成输出电压较高的输出端子。
构成驱动端的压电材料A具有良好的高电场下的压电特性，以适应高电压驱动的要求，驱动端压电陶瓷片102、106由外部联线109并联引出构成输入端子。
驱动端、发电端各压电陶瓷片通过粘结层104、305、309、313、317结合成整体，驱动端、发电端和绝缘片之间通过粘结层108、301结合成多层压电陶瓷变压器。
本实施例经试验已制成轴向截面积为圆形，其直径为25mm厚度为5.1mm驱动端由2层1.2mmA类压电陶瓷片构成，发电端由4层其厚度为0.4mm的B类压电陶瓷片和1层厚度为0.8mm的C类压电陶瓷片构成双输出端子。绝缘片厚度为0.15mm。本变压器为平面扩张的振动模式，其中：
A类压电陶瓷片主要性能
压电常数 d33 320×10 库伦/牛顿
介电常数 ε33 1300×8.85×10 法拉/米
居里温度 284℃
B类压电陶瓷片主要性能
压电常数 d33 460×10 库伦/牛顿
介电常数 ε33 3400×8.85×10 法拉/米
居里温度 280℃
C类压电陶瓷片主要性能
压电常数 d33 390×10 库伦/牛顿
介电常数 ε33 1400×8.85×10 法拉/米
居里温度 263℃
所用粘合剂为改性环氧树脂，其固化温度140℃所制成压电陶瓷变压器主要参数为：
谐振频率 85.5千赫兹
4层输出功率 18瓦
1层输出功率 3.5瓦
最大转换效率 ＞90％
重量 15克
输入电压峰值 ＜500伏
图2为本实施例2的结构示意图，其发电端和驱动端的构成方法同实施例1，但为了较低输出电压和较高输出功率的要求，驱动端可有9片厚度为0.4mmA类压电陶瓷材料构成。其主要参数为：
压电常数 d33 280×10 库伦/牛顿
介电常数 ε33 800×8.85×10 法拉/米
发电端有27片厚度为0.2mm的B类压电陶瓷材料和2片厚度为0.5mm的C类压电陶瓷材料构成。压电材料B主要参数为：
压电常数 d33 460×10 库伦/牛顿
介电常数 ε33 3400×8.85×10 法拉/米
C类压电材料主要参数为：
压电常数 d33 320×10 库伦/牛顿
介电常数 ε33 1300×8.85×10 法拉/米
它们构成了一个29片的发电端。
驱动端和发电端分别由丁晴橡胶和环氧树脂、改性酚醛树脂粘结而成，其固化工艺温度为120℃/2小时或150℃/2小时。两个驱动端通过绝缘片200、300分别与发电端的两端面粘结而成，两个驱动端的压电陶瓷片由外部联线并联引出。发电端由27片B类压电陶瓷片通过外部联线并联引出，构成大功率输出端而C类压电陶瓷片由外部联线并联引出，构成电压输出端子。
经试验，已制成垂直轴向截面为正六边形，其外接圆直径为30mm，驱动端为两个9层厚度为0.4mm的压电陶瓷片构成，发电端为27片B类压电材料和2片C类压电材料总厚度14.8mm的压电陶瓷变压器，其主要参数为：
谐振频率 71.5千赫兹
功率输出端
最大输出功率 95瓦
电压输出端
输出功率 25伏/1.15安
总量 82克
图2中两端各由9层A类压电陶瓷片组成的两个驱动端各层标号是：1a102、1a202……1a902，1b103、1b202……1b902；由27层B类压电陶瓷片和2层C类压电陶瓷片组成的发电端各层的标号是：20103、20202、……22702、22802、22902；驱动端外电极标号是：1a101、1a103、1a201、1a203……1a901、1a903、1b102、1b104、1b201、1b203……1b901、1b903；发电端外电极标号是：20102、20104、20201、20203……22701、22703、22801、22803、22901、22903；各片间粘结层标号是：1a104、1a904、20101、20105、22704、22804、22904、1b101、1b105；输出端子标号为10001，输出电流较大的端子标号为23001，输出电压较大的端子为23002。
Claims (4)
1.一种多层压电陶瓷变压器，由驱动端、绝缘片和发电端通过粘结而构成，其特征是：驱动端由一至九片被覆好电极并极化处理过的压电陶瓷片粘结在一起；发电端由一至三十片被覆好并极化处理过的压电陶瓷片粘结在一起。
2.根据权利要求1所述多层压电陶瓷变压器，其特征是：所述发电端可由不同材料或不同厚度的压电陶瓷薄片粘结而成，不同材料或不同厚度的压电陶瓷瓷片，分别构成多个输出端子，以适应不同输出特性的要求；构成不同输出端子的压电陶瓷片的电极通过外部联线分别并联引出。
3.根据权利要求1所述多层压电陶瓷变压器，其特征是：所述驱动端由相同材料和相同或不同厚度的压电陶瓷片构成，各压电陶瓷片的电极由外部联线分别引出。
4.一种多层压电陶瓷变压器的制作方法，其特征是：
该多层压电陶瓷变压器的制作步骤：
(1)压电陶瓷薄片成型：将所需压电陶瓷加工成所需厚度的薄片，其垂直于轴向截面可以是圆形、正多边形或长方形；驱动端和发电端可以采用不同的压电材料，当需要多组输出且输出要求不同时，发电端的压电薄片加工成不同厚度或选用不同材料；
(2)制备电极：可用高温法制备银电极或采用电镀、真空镀膜方法制备压电陶瓷片的电极，压电陶瓷片的电极位于厚度方向两端平面上；根据所用压电材料所需要求对制备好的压电陶瓷片进行极化处理；
(3)迭片粘结：将上述各类已制备好的压电陶瓷薄片按极化方向相反的原则层迭，并由粘合剂按设计要求分别粘结成驱动端和发电端，所用粘结剂的固化温度应远低于所用压电陶瓷材料的居里温度，通常采用改性环氧、改性酚醛、改性脲醛、聚酰亚胺和丙烯酸类粘结剂；
(4)变压器成型：将驱动端、绝缘片和发电端按设计规定顺序排列，通过粘结剂粘结而成变压器；
(5)电极联接：将驱动端各片串联或并联引出作为输入端子，将发电端各片分别并联引出作为具有不同输出特性的输出端子；外部联接方法的工艺温度均应比压电材料居里温度低100℃以上。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 95107953 CN1130292A (zh) | 1995-08-04 | 1995-08-04 | 多层压电陶瓷变压器及其制作方法 |
| AU38388/95A AU3838895A (en) | 1994-11-10 | 1995-11-07 | Composite piezoelectric ceramic transformer and manufacture method thereof |
| PCT/CN1995/000089 WO1996015560A1 (fr) | 1994-11-10 | 1995-11-07 | Transformateur ceramique piezo-electrique composite et son procede de fabrication |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN 95107953 CN1130292A (zh) | 1995-08-04 | 1995-08-04 | 多层压电陶瓷变压器及其制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1130292A true CN1130292A (zh) | 1996-09-04 |
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ID=5076544
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 95107953 Pending CN1130292A (zh) | 1994-11-10 | 1995-08-04 | 多层压电陶瓷变压器及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1130292A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000074152A1 (fr) * | 1999-06-01 | 2000-12-07 | Hongyi Li | Transformateur piezo-electrique a structure composite multisortie en mode vibration d'extension |
| CN101872834A (zh) * | 2010-05-20 | 2010-10-27 | 中山大学 | 一种弯曲振动型压电变压器 |
| CN101542765B (zh) * | 2006-08-09 | 2011-05-18 | 欧陆汽车有限责任公司 | 具有高可靠性的压电陶瓷多层执行器 |
| CN106903037A (zh) * | 2017-01-23 | 2017-06-30 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 超声换能器、超声阵列探头和超声成像系统 |
-
1995
- 1995-08-04 CN CN 95107953 patent/CN1130292A/zh active Pending
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