自耦式压电陶瓷降压变压器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种压电陶瓷降压变压器的新型结构和制备方法。它利用输入和输出端的电学串联结构使压电陶瓷产生共振，在输出端输出低电压并获得高电功率转换效率的压电陶瓷变压器。该压电陶瓷变压器具有结构简单、制备方便、器件尺寸小等特点，适合于小型化的电子仪器，特别是在小型直流－直流或交流－交流转换器的应用。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及固态电子元器件，具体涉及一种压电陶瓷降压变压器。人门已经知道在电子陶瓷电力器件应用领域中，利用压电陶瓷正逆压电效应进行电压或电流转换的技术，具体地说，这种技术就是通过对压电陶瓷进行一定的极化取向和电极结构设计，利用逆压电效应使压电陶瓷在输入端电压激励下产生机械振荡，然后利用正压电效应使该机械振动能转化为输出端的电能，从而实现电力传输过程中以机械能为媒介的电能互换。在该能量转化过程中，压电陶瓷变压器的结构和尺寸、振动方式和电能取出方式影响了压电陶瓷变压器自身的输入和输出电阻抗特性。当输入和输出端的电阻抗不等时，其输入和输出端间的电压在负载匹配情况下将不相等，这在效果上便等同于电磁式变压器，即通常所谓的压电陶瓷变压器。压电陶瓷变压器从功能上可分为升压和降压二种，前者是以高输出电压为主要目的，而后者是以高输出功率、大电流为主要目的。它们已成为近年来特别引入注目的电子陶瓷元件，其原因是与目前大量应用的电磁式变压器相比，具有不可燃、无电磁辐射、体积小、结构简单等特点，适合于近年来迅猛发展的小型化电子如通讯、计算机设备等。90年代初，日本重要的公司和研究机构，如NEC、Toshiba、Tokin等公司以及东京工业大学即以计算机设备为应用目标，开展了压电陶瓷变压器应用研究。经过了近十年的研究工作后，率先在便携式手提计算机液晶屏幕显示和计算机降压变压器这种量大面广的应用。因而，可以预计压电陶瓷变压器在未来的电子元件器件中有着重要的地位。附图说明图1所示的是1956年Rosen首先提出的压电陶瓷升压变压器结构。这种变压器是利用压电陶瓷的压电应变系数d31产生横向振动，然后利用压电应变系数d33来获得与振动方向平行的纵向电场来获得高输出电压。在这种结构中，输入和输出端电阻抗相差大才能保证负载有高的输出电压，因而变压器一般采用的是不对称结构。目前大多数压电陶瓷升压变压器都是以Rosen型结构为基本雏形而发展的产品，用于便携式手提计算机液晶屏幕显示便是采用Rosen改进型多层陶瓷电压变压器而工作的。日本专利申请第09059969号是这种类型的压电陶瓷变压器的一个实例。图2所示的电压电陶瓷降压变压器常用的基本结构。它的输入和输出电流一般均很大，降压比在小于1和大于0.1之间，因而能满足于日益增长的小型化、大电流交流-交流(AC-AC)和直流-直流(DC-DC)转换电路的应用要求。该器件的输入和输出电阻抗不大且很接近，因而输入和输出端的电极结构通常是对称的或相近的，它们的振动模式亦是相同的。日本Tokin公司就是采用了与图2(a)相似的多层陶瓷片的输入和输出结构，制备了80瓦功率的纵向厚度振动模式压电陶瓷降压变压器，它的降压比接近0.4，用于计算机的交流-交流(AC-AC)转换器中。授予Takeshi Ⅰ等人的美国专利第5,118,982是这种压电陶瓷变压器的一个实例。在以上二种压电陶瓷变压器中，输入和输出端处的压电陶瓷至今都采用了传统的工作方式即与输入端部分相连的那部分压电陶瓷在电压驱动下使压电陶瓷器件产生整体机械振动，通过驻波振动将机械能传递至另一作为输出端的压电陶瓷上来获得电能。这种工作方式对于升压变压器而言尚可；但对降压变压器而言却有些不足。以图2所示一些常用降压变压器为例，单片压电陶瓷制成的降压变压器太长，很难小型化，功率亦低；而二片压电陶瓷制成的降压变压器在降压比为0.4～0.1间，其电功率转换效率小于60％(J.W.Waanders,Piezoelectric Ceramics:properties and applications,Philips,1991)。以上问题虽然用多层陶瓷结构作为输入和输出端能有效地解决，但多层压电陶瓷结构复杂，如采用流延或轧膜以及多层压电陶瓷片与内电极共烧技术制备多层片式压电变压器，将增加工艺难度和生产成本；而采用粘结剂粘结传统干压法得到的压电陶瓷片来制备多层压电陶瓷结构器件，这种制备方法虽然制备工艺简单、成本提高不大，但粘结剂与压电陶瓷机械阻抗不匹配，将大大提高器件机械阻抗，从而降低器件的电功率转换效率。所以，传统的工作方式对多层压电陶瓷降压变压器而言，存在着制备工艺要求高和性能可下降等不足。其次，测试压电陶瓷变压器性能时，常发现输入电压和电流间有一个相位角，它表明变压器的无功功率占有一定的比例，因而人们通常在输入端加一个电感来调节该相位角，使得其接近于零度，但这种方法的工作频带边窄，且增加成本和器件的体积。最后，传统的工作方式使器件设计不够灵活，也限制器件尺寸进一步微小型化。因此，探索结构简单、制备方便、性能良好的新型压电陶瓷降压变压器对提高器件性能和器件小型化有实用价值。本专利技术的一个目的是提供一种自耦式压电陶瓷降压器。本专利技术的另一个目的是提供制备自耦式压电陶瓷降压变压器的方法。本专利技术所提供的自耦式压电陶瓷降压变压器，其包括二片设置在变压器的输入和输出端的压电陶瓷材料制成压电陶瓷片，该二片压电陶瓷片用环氧树脂粘结剂粘结层粘结，每一个压电陶瓷片的二个表面均设置有电极，以及连接到相应电极的输入和输出端电压的引线，其特征在于该二片压电陶瓷极化方向相同，激励二片压电陶瓷振动的输入电压是加在二片压电陶瓷片上，二片压电陶瓷片间引出的电线与输入端的地线之间作为该压电陶瓷变压器的降压输出端。在本专利技术的一个方面，压电陶瓷是圆形的，另一片的圆周上对称地磨去一拱形部分，该二片压电陶瓷粘结后，在未磨陶瓷部分的电极上引出压电陶瓷变压器的输出端引线。在本专利技术的又一个方面，该压电陶瓷以径向振动方式激励，振动模态包括低阶和高阶的振动模态。在本专利技术中该二片压电陶瓷片的厚度可以相等，也可以不相等。在本专利技术的又另一个方面，其输出端的压电陶瓷至少为一片压电陶瓷片，该至少一片压电陶瓷片在电学上并联，在机械结构上串联，从而可进一步降低输出电压与输入电压的比例。在本专利技术中该二片压电陶瓷片为不同厚度的干压法、轧膜法、流延法制成的压电陶瓷片。在本专利技术中该二片压电陶瓷片间的粘结层为有机材料粘结剂，还包括与该陶瓷片一体化烧结的银电极，和陶瓷素坯与银钯内电极共烧的一体化陶瓷/电极。在本专利技术中，该二片压电陶瓷的极化方向相互平行，而压电陶瓷在长度方向上以横向d31振动模式和厚度方向上以纵向d33振动模式激励，以及在圆片和圆环上以径向振动模式激励，而其振动模态为低阶和高阶振动模式。本专利技术的自耦式压电陶瓷降压变压器的制备方法如下在二片压电陶瓷圆片上覆盖以银电极料浆；之后，将该二片压电陶瓷圆片进行高温烧结该银电极；再对带该电极的陶瓷进行极化，使其具有压电性能；在其中的一片压电陶瓷片的对称边缘处各磨去一个拱形部分，使之成类似椭圆形状；用环氧树脂粘接剂均匀地涂在该二圆片压电陶瓷的一个电极面上，再用模具将该二片压电陶瓷片紧密地粘结在一起，该环氧树脂粘结剂便形成一粘结层；再在该二片陶瓷片的最上和最下面电极，以及在该二片压电陶瓷之间那部分未磨去陶瓷边缘上的电极上分别焊接以作为变压器的输入和输出端的电线。本专利技术器件的制备方法还包括轧膜法和流延法及内电极共烧技术。在本专利技术的压电陶瓷降压变压器的部件结构上包括采用二层相同陶瓷厚度和不同的厚度，以及三层或三层以上陶瓷组成不同变压比的压电陶瓷变压器。在陶瓷振动模式上除径向振动模式外，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自耦式压电陶瓷降压变压器，其包括：二片设置在变压器的输入和输出端的压电陶瓷材料制成压电陶瓷片，所述二片压电陶瓷片用环氧树脂粘结剂粘结层粘结，每一个所述压电陶瓷片的二个表面均设置有电极，以及连接到相应电极的输入和输出端电压的引线，其特征在于：所述二片压电陶瓷极化方向相同，激励二片压电陶瓷振动的输入电压是加在所述二片压电陶瓷片上，所述二片压电陶瓷片间引出的电线与输入端的地线之间作为所述压电陶瓷变压器的降压输出端。

【技术特征摘要】
1．一种自耦式压电陶瓷降压变压器，其包括二片设置在变压器的输入和输出端的压电陶瓷材料制成压电陶瓷片，所述二片压电陶瓷片用环氧树脂粘结剂粘结层粘结，每一个所述压电陶瓷片的二个表面均设置有电极，以及连接到相应电极的输入和输出端电压的引线，其特征在于所述二片压电陶瓷极化方向相同，激励二片压电陶瓷振动的输入电压是加在所述二片压电陶瓷片上，所述二片压电陶瓷片间引出的电线与输入端的地线之间作为所述压电陶瓷变压器的降压输出端。2．根据权利要求1所述的变压器，其特征在于二片压电陶瓷片中的一片压电陶瓷是圆形的，另一片的圆周上对称地磨去一拱形部分，所述二片压电陶瓷粘结后，在未磨陶瓷部分的电极上引出压电陶瓷变压器的输出端引线。3．根据权利要求2所述的变压器，其特征在于所述压电陶瓷以径向振动方式激励，振动模态包括低阶和高阶的振动模态。4．根据权利要求1所述的变压器，其特征在于所述二片压电陶瓷片的厚度相等。5．根据权利要求1所述的变压器，其特征在于所述二片压电陶瓷片的厚度不相等。6．根据权利要求1所述的变压器，其特征在于输出端的压电陶瓷至少为一片压电陶瓷片，所述至少一片压电陶瓷片在电学上并联，在机械结构上串联，从而进一步降低输出电压与输入电压的比例。7．根据权利要求1至6中任意一项所述的变压器，其特征在于所述二片压电陶瓷片间的粘结层为有机材料粘结剂，还包括与所述陶瓷片...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈王丽华，李国荣，胡俊辉，蔡忠龙，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]