复合压电变压器制造技术

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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
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。在附图说明图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专利技术的美国专利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，并且其本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
US 2000-12-15 09/738,8311.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：克拉克戴维斯博伊德，
申请(专利权)人：克拉克戴维斯博伊德，
类型：发明
国别省市：US[美国]